CN102064736A - 一种复合式微型风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种复合式微型风力发电机，其包括微支架、微梁、压电结构、金属线圈、永磁体和底座，所述微梁的单端固定或两端均固定于微支架上，微支架固定于底座上，微梁、压电结构和金属线圈构成复合式微型风力发电机的可动部分。在微梁上设置有压电结构和金属线圈，在底座上固定有永磁体，永磁体的Ｓ极或Ｎ极正对金属线圈平面，并在永磁体与线圈平面之间预留间隙，该发电机同时利用压电效应和电磁感应原理实现将微结构振动能转换为电能，具有比单独采用压电效应或电磁感应原理的微型风力发电机更高的机电转换效率。其便于采用硅微加工技术进行批量化加工，成本低，特别适合于为无线传感网络节点等供电。

Description

一种复合式微型风力发电机

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）领域，特别涉及到将环境风能转换为电能的MEMS微能源(Power MEMS)技术。

背景技术

同电池等传统能源相比，直接将环境中广泛存在的振动能、流体动能、热能、太阳能等转换为电能的微能源寿命更长，是无线传感网络和微小型自治式微系统迫切需要的一种电源。基于微机电系统（MEMS）技术的将环境物理能量转换为电能的MEMS微能源同时还均有尺寸小、免维护、易集成等诸多优点，已经成为国际上微能源研究的热点之一。

基于风致振动机理的微型风力发电机利用风载荷引起的微结构振动将环境风能转换为微结构振动能，进一步利用电磁感应、压电效应或静电效应将微结构振动能转换为电能，实现对负载或储能器的供电，其具有结构简单、不含转动部件等诸多优点，在环境监测、建筑物健康监测等无线传感网络等方面有广阔应用前景。目前的微型振动式风力发电机只采用电磁感应、压电效应和静电效应中的一种将微结构振动能转换为电能，其转换效率不高，发电机的输出功率小，不能满足无线传感网络节点的压电需求。研究提高MEMS微型风力发电机的性能的方法与结构，对促进MEMS微型风力发电机的应用，进一步促进无线传感网络技术的发展，均有十分重要的意义。

发明内容

为了提高基于风致振动机理的微型风力发电机的将环境风能转换为电能的效率，可以分别从提高环境风能获取效率和提高将微结构的振动能转换为电能的机电转换效率两个方面入手。本发明的目的是提出一种同时利用压电效应和电磁感应原理将微结构的振动能转换为电能的微型风力发电机，以提高其能量转换效率和输出功率。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种复合式微型风力发电机，其同时采用压电效应和电磁感应原理将微结构的振动能转换为电能，其包括微支架、微梁、压电结构、金属线圈、永磁体和底座，所述微梁的单端固定于微支架上，或两端均固定于微支架上，进一步通过微支架固定于底座上，微梁为复合式微型风力发电机的可动部分。

在所述微梁表面的非固定部位设置有压电结构，所述压电结构由压电层和位于压电层上表面和下表面的金属电极构成；在所述微梁表面的非固定部位还设置有金属线圈，并在底座上固定有永磁体，永磁体的Ｓ极或Ｎ极正对金属线圈平面，并在永磁体与线圈平面之间预留间隙；在风载荷作用下，复合式微型风力发电机的可动部分发生振动时，位于微梁上的压电层由于变形而产生的电通过分别位于压电层上、下表面的电极引出；微梁振动同时引起线圈与永磁体之间的相对位置和通过线圈的磁通量发生变化，由电磁感应原理可知，此时将在线圈内产生感生电动势，该感生电动势可以通过线圈两端的电极引出。压电效应产生的电和电磁感应产生的电，引出后直接为某些负载供电，或者经整流后对储能器进行充电。

本发明提出的复合式微型风力发电机由于同时采用了压电效应和电磁感应原理将微结构的振动能转换为电能，因此具有比单独采用压电效应或电磁感应的微型风力发电机更高的机电转换效率。本发明提出的复合式微型风力发电机通过提高机电转换效率，可以进一步达到提高基于风致振动机理的微型风力发电机输出功率的目的，有利于扩大MEMS微型风力发电机的应用范围。

进一步，本发明将金属线圈设置于单端固定的微梁的自由端或两端固定的微梁的中间部分，该位置在发电机可动部分振动时位移和速度的幅度大，有利于在线圈两端产生更大的感生电动势，以将更多的振动能通过电磁感应转换为电能。

另外，本发明通过增加微梁的厚度对金属线圈下面的微梁进行加强，其中表面有金属线圈的微梁的厚度是表面没有金属线圈的微梁的厚度的两倍以上，以确保线圈在该发电机振动部分振动时不被损坏。

本发明提出的复合式微型风力发电机结构简单，便于采用硅微加工技术进行批量化加工，成本低，特别适合于为无线传感网络节点等供电。

附图说明

图1是在硅片上生长二氧化硅示意图

图2是沉积并图形化底部金属电极的示意图

图3是制备压电膜并图形化的示意图

图4是沉积并图形化顶部金属电极的示意图

图5是硅片正面以二氧化硅层定义释放槽的示意图

图6是硅片正面刻蚀释放槽的示意图

图7是形成金属线圈的示意图

图8是从硅片背面以二氧化硅形成刻蚀掩膜的示意图

图9是从硅片背面释放结构的示意图

图10是底座示意图

图11是将永磁体安装于底座上的示意图

图12是基于单端固支微梁的复合式微型风力发电机示意图

图13是基于两端固支微梁的复合式微型风力发电机示意图。

具体实施方式

同时基于压电效应和电磁感应原理实现机电转换的复合式微型风力发电机由微支架、微梁、压电结构、金属线圈、永磁体和底座构成，其中微梁固定于微支架上，压电结构和金属线圈加工在微梁上，永磁体固定在底座上，下面是制作复合式微型风力发电机的一个典型工艺流程：

1、选取双面抛光硅片为衬底1，采用氧化或低压化学气相淀积的方法在衬底1的正面和背面同时生长S_iO₂层2，如图1所示； 

2、在硅片正面以磁控溅射的方法依次沉积Ti和Pt层，然后涂光刻胶，光刻1次，形成光刻胶图形，进一步采用湿法腐蚀工艺腐蚀Pt和Ti层，去除光刻胶，形成底部电极层3，如图2所示；

3、在硅片正面采用溶胶－泥胶或溅射等方法制备PZT压电膜，然后涂光刻胶，光刻2次，形成光刻胶图形，进一步采用湿法腐蚀工艺腐蚀PZT膜，去除光刻胶，形成图形化的PZT膜，即压电层4，如图3所示；

4、在硅片正面以磁控溅射的方式依次沉积Ti和Pt层，然后涂光刻胶，光刻3次，形成光刻胶图形，进一步采用湿法腐蚀工艺腐蚀Pt和Ti层，去除光刻胶，形成顶部电极层5，如图4所示；

5．硅片正面涂光刻胶，光刻4次，形成光刻胶图形，进一步采用湿法腐蚀工艺腐蚀二氧化硅衬底1，去除光刻胶，形成释放槽待刻蚀窗口，如图5所示；

6．为了便于结构释放，采用感应耦合等离子刻蚀、反应离子刻蚀或湿法腐蚀工艺从正面刻蚀二氧化硅衬底1，在发电机可动部分的周围形成释放槽，如图6所示；

7．硅片正面涂光刻胶，光刻5次，形成光刻胶图形，采用溅射和剥离法形成Au线圈图形，即得到金属线圈6，如图7所示；

8．硅片背面涂光刻胶，光刻6次，形成光刻胶图形，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀背面二氧化硅，去除光刻胶，形成图形化的二氧化硅，如图8所示；

9．采用感应耦合等离子刻蚀的方法从硅片背面对硅片进行刻蚀，直到刻透硅片正面的释放槽，此时压电层下还有一层单晶硅层（其厚度与硅片正面的槽的深度基本相同），形成二氧化硅衬底1上释放了的发电机可动部分及微梁7，以及固定微梁的硅微支架8，如图9所示；

10．采用精密机械加工等方法，制作底座9，如图10所示；

11．将永磁体10的Ｓ极或Ｎ极如图10所示固定于底座9上，并在永磁体10的上表面涂覆一薄层绝缘材料层11，如图11所示；

12．将二氧化硅衬底1上的发电机可动部分固定于底座9上，与永磁体10一起形成基于单端固定的微梁的复合式微型风力发电机结构，如图12所示。

通过以上工艺，就完成了本发明提出的同时利用压电效应和电磁感应原理实现机电转换的复合式微型风力发电机的制作。复合式微型风力发电机是在衬底1上生长二氧化硅层2作为绝缘层，以金属层作为底部电极3，压电层4作为利用压电效应实现机电转换的功能材料层，以金属层作为压电层的顶部电极5，以溅射或电镀的金属线圈6作为利用电磁感应原理实现机电转换的导电线圈，以通过对硅衬底进行刻蚀得到的单晶硅层作为微梁7的主要结构层，微梁7固定于微支架8上，在将上表面有绝缘层11的永磁体10固定于底座9上后，再将微梁通过微支架8与底座9固定在一起，形成基于单端固定的微梁的复合式微型风力发电机。

另外，本复合式微型风力发电机也可以采用图13所示的基于两端固定的微梁的结构，其制作工艺与图12所示的基于单端固定的微梁的复合式微型风力发电机基本一致。

本发明提出的复合式微型风力发电机的压电层也可以不用PZT材料，而改用PVDF、ZnO、AlN等，压电层的生长也可以采用溅射、MOCVD等方法。为了降低线圈内阻，线圈可以采用电镀等方法制作。在以上工艺中，为了使线圈不受到梁变形的影响，增加了线圈下面的梁的厚度。

在实际应用时，将单端固定或两端固定的复合式微型风力发电机置于环境风场中，当风速达到临界风速时，风产生的动载荷的频率与发电机可动部分的固有频率接近或相同时，振动梁和位于梁上的金属线圈将强烈振动。该振动一方面导致压电层内的应力交替变化，由于压电效应，在压电层的上、下表面之间将产生交替变化的电势差，通过分别位于压电层上、下表面的电极引出；该振动同时导致线圈与永磁体之间相对位置的变化，导致通过线圈的磁通量发生变化，由电磁感应原理可知，此时将在线圈内产生感生电动势，通过线圈两端的电极引出。以上压电效应产生的电和电磁感应产生的电，引出后可以直接为某些负载供电，或者经整流后对储能器进行充电。

Claims (3)

1.一种复合式微型风力发电机，其同时采用压电效应和电磁感应原理将微结构的振动能转换为电能；所述电机包括微支架、微梁、压电结构和底座，所述微梁的单端固定于微支架上，或两端均固定于微支架上，进一步通过微支架固定于底座上，微梁构成复合式微型风力发电机的可动部分；

其特征在于：所述压电结构设置在所述微梁表面的非固定部位，所述压电结构由压电层和位于压电层上表面和下表面的金属电极构成；在所述微梁表面的非固定部位还设置有金属线圈，并在底座上固定有永磁体，永磁体的Ｓ极或Ｎ极正对金属线圈平面，并在永磁体与金属线圈平面之间预留间隙；在风载荷作用下，复合式微型风力发电机的可动部分发生振动时，位于微梁上的压电层由于变形而产生的电通过分别位于压电层上、下表面的电极引出；微梁振动同时引起金属线圈与永磁体之间的相对位置和通过金属线圈的磁通量发生变化，在线圈内产生感生电动势，该感生电动势通过金属线圈两端的电极引出；以上压电效应产生的电和电磁感应产生的电，引出后直接为某些负载供电，或者经整流后对储能器进行充电。

2.根据权利要求1所述的复合式微型风力发电机，其特征在于：所述金属线圈位于单端固定的微梁的自由端，或者位于两端固定的微梁的中间位置。

3.如权利要求1或2所述的复合式微型风力发电机，其特征在于，通过增加微梁的厚度对金属线圈下面的微梁进行加强，其中表面有金属线圈的微梁的厚度是表面没有金属线圈的微梁的厚度的两倍以上，以确保线圈在该发电机振动部分振动时不被损坏。

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