CN102280573A

CN102280573A - 一种带柔性支承的微型压电风能采集器

Info

Publication number: CN102280573A
Application number: CN201110175062A
Authority: CN
Inventors: 杜志刚; 贺学锋; 李江
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2011-12-14

Abstract

一种带柔性支承的微型压电风能采集器，其包括微支架、压电复合梁、柔性支承和底座。所述压电复合梁通过柔性支承和微支架与底座进行连接。所述压电复合梁的压电层上、下表面均设置有电极，动风载荷引起的微型风能采集器系统产生振动，在压电层的上、下表面之间产生电势差，利用该电势差可实现对负载或储能器的供电。本发明引入的柔性支承降低了微型风能采集器的固有频率，使其在更低风速下产生强烈振动，因此可以有效降低采集器正常应用的临界风速。

Description

一种带柔性支承的微型压电风能采集器

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，基于MEMS技术的、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具有尺寸小、寿命长、易集成等诸多优点，是无线传感网络和微小型自治式微系统迫切需要的理想电源，是当前国际上微能源研究的热点。基于风致振动机理的微型能采集器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，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。

微型振动式风能采集器输出的电能需要通过整流、储能等环节，才能为负载供电，以上环节需要消耗部分电能，当采集器输出功率过低时，其产生的电能大部分被以上环节消耗，难以被应用对象利用。微型振动式风能采集器的输出功率由采集器振幅决定，而该振幅直接依赖于环境风速的大小。根据风载荷特点可知，风对结构施加的风载荷包含静风载荷和动风载荷两部分，其中动风载荷的频率随着风速的增加而增加，当环境风速达到某个值（临界风速）时，动风载荷的频率接近或达到微型振动风能采集器固有频率，采集器将产生强烈振动，使其振幅达到某个值（临界振幅）以上，采集器才能正常应用（即为应用对象正常供电）。

针对中、小风速应用环境，重庆大学提出引入质量块来降低微型振动式风能采集器固有频率的技术（发明专利申请号：201010233045.5），进一步达到降低风能采集器正常工作的临界风速，扩大其应用范围的目的。

发明内容

本发明的目的是提出一种带柔性支承的微型压电风能采集器，是另一种降低微型压电风能采集器正常工作的临界风速的方法与结构，在大型建筑物健康监测、国土安全监测、环境监测等领域均有广阔应用前景。

为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种带柔性支承的微型压电风能采集器，其包括微支架、压电复合梁（即含压电层的复合梁）、柔性支承和底座。其柔性支承为不含压电层的柔性梁。微型压电风能采集器可以采用以下两类结构：

（1）压电复合梁的一端通过柔性支承固定于微支架上，另一端自由，或两端均通过柔性支承固定于微支架上，微支架固定于底座上。

（2）压电复合梁的一端固定于微支架上，另一端自由，或两端均固定于微支架上，微支架固定于柔性支承上，进一步通过柔性支承固定于底座上。

以上压电复合梁的压电层上、下表面均设置有电极，动风载荷引起的微型风能采集器系统产生振动，将环境风能转换为振动能，其中压电复合梁的振动将引起其上的压电层应力的交替变化，由于压电效应，在压电层的上、下表面之间将产生电势差，利用该电势差可实现对负载或储能器的供电。

将以上微型风能采集器的振动部分可以简化为一个由弹簧?质量块组成的单自由度系统，由振动理论可知，该采集器的固有频率为

，（1）

上式中m为主动部分的等效质量，由柔性支承和振动梁/膜的质量和对应振动的振型决定；等效刚度K由柔性支承的刚度和振动梁/膜的材料、厚度、长度、宽度决定，其中柔性支承刚度随柔性支承的材料特性和几何形状与尺寸决定。当柔性支承的长度、宽度和厚度减小时，或则柔性支持采用更软的材料时，柔性支承的刚度将降低，从而导致以上等效刚度K的降低，进一步导致微型风能采集器固有频率的降低。

根据结构的风致振动机理可知，当动风载荷的频率接近或达到微型风能采集器固有频率时，采集器将产生强烈振动。动风载荷的主要部分是由于旋涡脱落引起，旋涡脱落的频率为

, （2）

式中

为斯脱罗哈数（Strouhal数），D是结构垂直于来流方向平面上的特征尺寸，U是风速。由上式可见，漩涡脱落的频率随着风速U的提高而提高。由于当旋涡脱落的频率接近或达到微型风能采集器固有频率时，采集器才产生强烈振动，因此在迎风尺寸不变的情况下，固有频率更高的采集器只有在更高的风速下才能产生强烈的振动，才能正常应用。本发明引入的柔性支承可以有效降低基于风致振动的微型风能采集器的固有频率，所以可以有效降低采集器正常工作的风速。

可见，本发明通过增加柔性支承，可以降低采集器的刚度，进而降低了其固有频率，使采集器在更低风速作用下产生强烈振动。因此柔性支承的引入将有效降低基于风致振动机理的微型风能采集器正常应用的临界风速，从而有效扩大其应用范围。本发明提出的带柔性支承的微型振动式风能采集器结构简单，便于采用硅微加工技术和微组装技术进行批量化加工，成本低。

本发明还可以与引入质量块降低微型风能采集器正常工作临界风速的方法同时应用，以达到进一步降低临界风速的目的。

附图说明

图1是在硅片上生长绝缘层示意图；

图2是生长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是生长并图形化顶部金属电极的示意图；

图5是硅片正面形成释放槽待刻蚀窗口的示意图；

图6是硅片正面刻蚀释放槽的示意图；

图7是从硅片背面形成刻蚀窗口的示意图；

图8是从硅片背面释放结构的示意图；

图9是柔性支承示意图；

图10是连接柔性支承与微支架的示意图；

图11是底座示意图；

图12是一种结构形式的带柔性支承的微型压电风能采集器的结构示意图；

图13是另一种结构形式的带柔性支承的微型压电风能采集器的结构一示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和实验结果进一步对本发明进行说明。

通过以上工艺，就完成了本发明提出的带柔性支承的微型压电风能采集器第二种结构的制作，

参见图12，带柔性支承的微型压电风能采集器包括微支架11、压电复合梁10、柔性支承12和底座13，其压电复合梁10固定于微支架11上，微支架11通过柔性支承12固定于底座13上。

下面对以上采集器的制作方法进行说明，典型工艺流程如下：

1、选取双面抛光单晶硅片为衬底1，采用氧化或化学气相淀积的方法在衬底１的正面和背面同时生长SiO2层2和Si3N4层3，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，正面光刻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4，如图2所示；

3、在硅片正面采用溶胶－凝胶或溅射等方法制备PZT压电膜，然后涂光刻胶，制备光刻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5，如图３所示；

４、在硅片正面以磁控溅射的方式依次溅射Ti和Pt层，然后涂光刻胶，正面光刻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6，如图4所示；

５．硅片正面涂光刻胶，正面光刻4次，形成光刻胶图形，进一步采用湿法腐蚀工艺腐蚀Si3N4层和S_iO₂层，去除光刻胶，形成释放槽待刻蚀窗口7，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，在采集器可动部分的周围形成释放槽8，如图6所示；

7．采用溅射工艺在硅片1背面溅射Al，硅片背面涂光刻胶，背面光刻1次，形成光刻胶图形，采用湿法腐蚀形成Al图形，进一步采用反应离子刻蚀工艺刻蚀背面Si3N4层和S_iO₂层，去除光刻胶，形成背面刻蚀窗口9，如图7所示；

９．采用感应耦合等离子刻蚀工艺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上释放了的采集器可动部分及微梁10，以及固定微梁的微支架11，如图8所示；

11．采用精密微加工等方法，制作柔性支承12，如图9所示；

12. 常用微组装工艺，将微支架固定于柔性支承的一端，如图10所示；

13．采用精密机械加工等方法，制作底座13，如图11所示；

14．采用微组装工艺，将柔性支承的另一端固定于底座上，形成带柔性支承的微型风能采集器，如图12所示。

参见图13，这是另一种结构的采集器，其压电复合梁10通过柔性支承12与微支架11连接在一起，微支架11固定于底座13上。对于这种结构而言，其是在采用微加工工艺制作压电复合梁和微支架过程中同时制作了柔性支承，最后采用微组装工艺将微支架与底座组装在一起即可。

以上提出的采集器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。

在实际应用时，将带柔性支承的微型压电风能采集器置于环境风场中，当风速达到临界风速时，动风载荷的频率与采集器固有频率接近或相同时，采集器可动部分将产生强烈振动。该振动将导致压电复合梁的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。

为了进一步验证柔性支承对降低基于风致振动机理的微型压电风能采集器正常应用的风速的有效性，分别对没有柔性支承和有柔性支承的微型风能采集器原理样机进行了测试。本发明人采用微组装技术制作了一个没有柔性支承的微型压电风能采集器（样机一）和一个带柔性支承的微型压电风能采集器原理样机（样机二）。两个样机的压电复合梁是完全一样的，该压电复合梁包含两层极化方向相反的PZT-5H压电层，其中上、下压电层的厚度均为139μm ，中间金属层厚度为102μm，压电复合梁的长度为32mm，宽度为6.4mm；样机二带有柔性支承，柔性支承采用的是聚酯材料，其长度为9.8mm。分别将样机一和样机二置于小型风洞中进行测试，在采集器前98mm处设置了直径13.5mm的圆柱形钝体一个，在14m/s、16m/s和18m/s的风速作用下，样机一的开路电压分别为0. 55V、0.71V和0.74V，样机二的开路电压分别为0.58V、0.91V和1.24V。当风速从14m/s增加到18m/s时，带柔性支承的样机二的开路电压显著增加，而不带柔性支承的样机一的开路电压变化不大，这说明柔性支承降低了采集器的临界风速。

以上实验表明，本发明提出的微型压电风能采集器新结构可以有效降低微型风能采集器正常工作的风速，扩大其应用范围。

Claims

1.一种带柔性支承的微型压电风能采集器，包括微支架、压电复合梁、和底座；其特征在于：所述压电复合梁通过柔性支承和微支架与底座进行连接。

2.如权利要求1所述的微型压电风能采集器，其特征在于：所述压电复合梁与柔性支承连接，柔性支承再通过微支架与底座进行连接。

3.如权利要求1所述的微型压电风能采集器，其特征在于：所述压电复合梁与微支架连接，柔性支承再柔性支承通过与底座进行连接。

4.如权利要求1、2或3所述的微型压电风能采集器，其特征在于：压电复合梁的连接点是在一端，另一端自由；或是两端均为连接点。

5.如权利要求4所述的微型压电风能采集器，其特征在于：所述柔性支承为不含压电层的柔性梁，其柔性梁将显著降低风能采集器的刚度。

6.如权利要求4所述的微型压电风能采集器，其特征在于：所述柔性支承是采用微加工工艺与压电复合梁和微支架的制作同时完成，或是采用微加工工艺单独制作，再与微加工工艺制作的压电复合梁和微支架通过微组装方式进行组装，最后与支座固定。

7.如权利要求4所述的微型压电风能采集器，其特征在于：所述压电复合梁的压电层的上、下表面均设置有电极。