CN102420517A - 基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

一种微机电系统技术领域的基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器，包括：绝缘衬底、平面螺旋感应线圈、绝缘材料涂附层、拾振结构、图形化永磁体、支撑结构和引线电极，其中：绝缘衬底、平面螺旋感应线圈、绝缘材料涂附层、拾振结构、图形化永磁体依次由下而上固定设置，支撑结构与绝缘衬底固定连接，并将拾振结构悬空在绝缘材料涂附层上方。在外界振动时，与拾振结构固定在一起的永磁体因为惯性的运动使感应线圈内的磁通量发生变化从而产生出感应电压。永磁体是利用微结构图形化方法实现集成制造，而且由于图形化的永磁体可以有较厚的微结构，因而比电镀永磁体有更好的能量采集和转化效率，与IC工艺相兼容，易于批量化加工。

Description

基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的装置，具体是一种基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)和无线传感网络不断向前发展，如何对它们供电已成为其发展的一大障碍。常用的电池和电力线供电，操作和使用不方便，特别是对于无线传感网络通讯，由于其使用寿命长、节点分布广泛，在某些地方传感器工作位置难以触及，更换电池或用电力线供电，在很多场合下是不切实际的。振动能量采集器能够把周围环境中的振动能转化为电能从而为微型元器件供电。而利用传统的机械加工技术得到的振动能量采集器，由于体积较大，无法与微型无线产品和微机电系统器件集成；随着技术的改进和提高，无线传感器节点的能耗也逐步降低，利用微型振动能量采集器为其供电成为可能，同时与具有体积小，功耗低等特点的微机电系统器件又能很好的匹配，易于集成制造。

经过对现有技术的检索发现，之前大多数电磁式振动能量采集器器件中只有部分部件使用MEMS加工技术进行制作，然后组装成一个完整的设备。比如Ibrahim Sari等人在“An electromagnetic micro power generator for wideband environmentalvibrations”(Sensors and Actuators，A，2008，405-413)文章中使用MEMS技术制作能量采集器中的悬臂梁。Y.Jiang等人在“Fabrication of A Vibration-drivenelectromagnetic energy harvester with integrated NdFeB/Ta multilayeredmicro-magnets”(J.Micromech.Microeng.2009，Vol.21 941-951)制作能量采集器中的弹簧。但整个器件最后仍靠手工装配，参数控制困难，整体制作工艺步骤繁多复杂，很难批量生产。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器，通过由弹簧连接的图形化永磁体实现能量采集。永磁体是利用微结构图形化方法实现集成制造，而且由于图形化的永磁体可以有较厚的微结构，因而比电镀永磁体有更好的能量采集和转化效率。并且采集器的加工过程是完全集成的，与IC工艺相兼容，易于批量化加工。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：绝缘衬底、平面螺旋感应线圈、绝缘材料涂附层、拾振结构、图形化永磁体、支撑结构和引线电极，其中：绝缘衬底、平面螺旋感应线圈、绝缘材料涂附层、拾振结构、图形化永磁体依次由下而上固定设置，支撑结构位于平面螺旋感应线圈和拾振结构的外侧并与绝缘衬底固定连接，支撑结构将拾振结构悬空在绝缘材料涂附层上方。

所述的绝缘衬底由石英或玻璃制成。

所述的平面螺旋感应线圈为感应线圈绕组结构，具体为方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成，其中金属铜线圈的高度、宽度以及匝与匝之间的距离为10微米-30微米，整体宽度视其上永磁体大小和磁感应强度而定，直径或边长为600-1500微米。

所述的平面螺旋感应线圈上涂附绝缘材料，使螺旋感应线圈匝间相互绝缘，并保证平面螺旋感应线圈与拾振结构在运动时的绝缘性能。

所述的绝缘材料涂附层，是通过旋涂等方式涂附在螺旋线圈上，绝缘材料如聚酰亚胺等。

所述的拾振结构包括：位于正中永磁体下方的垫片、与支撑结构固定的连接片、垫片与支撑结构连接片之间的若干蛇形弹簧。

所述的垫片和连接片均由电镀镍或电镀铜制成且与蛇形弹簧连成一体，厚度为5-50微米。

所述的图形化永磁体为圆形或方形，的直径或边长为400-1000微米，厚度为50-1000微米。可以通过适当控制谐振永磁体的质量、位置和形状，可以适当调节其拾振频率。

所述的支撑结构是通过电镀镍或铜等金属或微电铸形成的方形或者弧形柱状结构，采用室温下多次叠层电镀镍或铜等金属或微电铸制作。

所述的蛇形弹簧为单匝或多匝S形结构或双S形结构弹簧，使用电镀镍或电镀铜制成，其中S形结构的内径为20-100微米，S形结构的平直部分长为50-500微米，单个蛇形弹簧长度为50-500微米。

所述的蛇形弹簧具体位于永磁阵列的周围，这样磁体受力均匀，克服了悬臂梁或简支梁应力集中的问题，同时也加大了磁体振幅，更有利于能量采集。

所述的引线电极是通过电镀镍或铜等金属或微电铸形成的方形结构，采用室温下多次叠层电镀镍或铜等金属或微电铸制作。

所述的引线电极与平面螺旋感应线圈的双端连接，并高于绝缘材料涂附层，用于与外电路连接。

本发明主要用于采集自然环境中广泛存在的100-1000赫兹中某一特定频率范围内的低频振动能。通过由蛇形弹簧和圆形或方形磁体交互连接形成的拾振结构与外界发生谐振，根据法拉第定律，当器件这这一特定频率范围内振动时，通过平面螺旋感应线圈产生较大感应电流。根据理论分析，能量采集器通常应工作在谐振状态(拾振固有频率与环境振动频率相等)，此时受迫振幅最大，输出功率也最大。

本发明采用了圆形或方形永磁体来响应外界环境中的振动，跟据有限元理论进行模态分析，当器件在一阶模态时，拾振永磁体出现上下振动，其中位于阵列最中间的永磁体振幅最大，依次向外逐渐降低，此时最中间的平面磁感应线圈中得到最大的电压；当器件在二阶模态时，拾振永磁体出现波浪形弯曲，此时位于阵列两边永磁体出现最大振幅，相应的平面感应线圈产生感应电流最大，位于中间的永磁体振幅不大；当器件在第三阶模态是，拾振永磁体出现绕以对角线摇摆，此时位于另外两脚的永磁体出现振幅最大，产生最大感应电流。与此同时，还可以通过改变永磁体的尺寸、弹簧刚度和长度以及不同的电镀材料，可以调节不同模态的共振频率，对模态进行整合，使拾振结构在这一固定的频率内产生较大电流，从而实现与器件所使用的环境所匹配。

本发明永磁体和蛇形弹簧组成的拾振结构，主要通过改变磁通量来产生感应电动势而不是通过切割磁感线来产生电动势，谐振永磁体位于感应线圈绕组的一侧而不穿过感应线圈所在的平面。利用蛇形弹簧作为永磁体与永磁体之间、永磁体与支撑结构之间的连接，而不是通常所用的悬臂梁或简支梁做支撑，一方面，这样永磁快有更大的自由度，可以使其有更大的振幅，采能效率更高，并且可以对外界振动产生缓冲，避免应力集中折断或拉坏；另一方面，这可以使磁体除了在主方向(垂直于弹簧和永磁体平面方向)上产生谐振能量采集外，在水平方向产生摆动或轻微转动，由于切割磁感线而产生感应电流，这样也能进行能量采集，可以进一步提高能量采集效率。

本发明克服了以前基于MEMS的电磁式宽频带振动能量采集器在制作工艺的不足，传统的磁片粘结技术精度差，体积大，集成度低，加工步骤繁杂，难以满足MEMS设计和制造要求；掩膜电镀工艺对外界要求高，厚度很有限，表面性能低，存在应力问题。本发明的拾振结构采用电镀工艺和微结构图形化相结合的方法，利用电镀生成磁性材料基底和弹簧，这样可以保证二者的衔接，然后利用光刻和微结构图形化工艺直接将永磁体集成在器件上，可以制作更厚的永磁体，并且工艺简单便于集成和批量生产。

附图说明

图1为实施例结构示意图。

图2为实施例隐藏绝缘材料涂附层后结构示意图。

图3为实施例拾振结构示意图。

图4为实施例平面螺旋感应线圈结构示意图。

图5为实施例绝缘材料涂附层涂附于平面螺旋感应线圈上时结构示意图。

图6为实施例俯视图。

图7为实施例隐藏绝缘材料涂附层后俯视图。

图8为实施例平面螺旋感应线圈俯视图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器

如图1所示，本实施例包括：绝缘衬底1、平面螺旋感应线圈2、绝缘材料涂附层3、支撑结构4、连接片5、蛇形弹簧6、垫片7、图形化永磁体8、引线电极9。四组支撑结构4固定在绝缘衬底1上，连接片5固定在支撑结构4上，蛇形弹簧6与连接片5相连并将垫片7悬空在绝缘材料涂附层3上方，图形化永磁体8在垫片7上方。

如图2所示，平面螺旋感应线圈2固定在绝缘衬底1上，由绝缘材料涂附层3完全覆盖，平面螺旋感应线圈2的两端分别于两个引线电极9连接。

所述的绝缘衬底1由石英或玻璃制成。

所述的平面螺旋感应线圈2为感应线圈绕组结构，具体为方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成，其中金属铜线圈的高度、宽度以及匝与匝之间的距离为10微米-30微米，整体宽度视其上永磁体大小和磁感应强度而定，直径或边长为600-1500微米。

所述的绝缘材料涂附层3的材料如聚酰亚胺等，通过旋涂的方式涂附在平面螺旋感应线圈2上方，使平面螺旋感应线圈匝间相互绝缘，并保证平面螺旋感应线圈与拾振结构在运动时的绝缘性能。

所述的支撑结构4是通过电镀镍或铜等金属或微电铸形成的方形或者弧形柱状结构，采用室温下多次叠层电镀镍或铜等金属或微电铸制作。

所述的连接片5由电镀镍或电镀铜制成且与蛇形弹簧连成一体，厚度为5-50微米。

所述的蛇形弹簧6为单匝或多匝S形结构或双S形结构弹簧，使用电镀镍或电镀铜制成，其中S形结构的内径为20-100微米，S形结构的平直部分长为50-500微米，单个蛇形弹簧长度为50-500微米。

所述的蛇形弹簧6具体位于图形化永磁体8下方的垫片7的周围，这样垫片受力均匀，克服了悬臂梁或简支梁应力集中的问题，同时也加大了磁体振幅，更有利于能量采集。

所述的垫片7由电镀镍或电镀铜制成圆形结构或方形结构，且与蛇形弹簧连成一体，厚度为5-50微米，直径或连长为400-1000微米。

所述的图形化永磁体8为圆形或方形，直径或边长为400-1000微米，厚度为50-1000微米。可以通过适当控制谐振永磁体的质量、位置和形状，可以适当调节其拾振频率。

所述的引线电极9是通过电镀镍或铜等金属或微电铸形成的方形结构，采用室温下多次叠层电镀镍或铜等金属或微电铸制作。

所述的引线电极9与平面螺旋感应线圈2的两端连接，并高于绝缘材料涂附层，用于与外电路连接。

如图3所示，由连接片5、蛇形弹簧6、垫片7组成的拾振结构是通过电镀镍或电镀铜制成的一体结构，厚度为5-50微米。

如图4和图5所示，平面螺旋感应线圈2由绝缘材料涂附层3完全涂附覆盖，平面螺旋感应线圈两端分别与两个引线电极9相连接。

如图6所示，图形化永磁体8水平方向尺寸与垫片7尺寸相同，垫片7位于永磁体8正下方。

由图7与图6对比所示，绝缘材料涂附层3将平面螺旋感应线圈2完全覆盖，确保拾振结构在运动时与螺旋感应线圈的相应绝缘。

如图8所示，平面螺旋感应线圈2固定在绝缘衬底1上，平面螺旋感应线圈的两端分别与两个引线电极9相连接。

当外部的振动应用于本实施例时，由惯性的作用下，永磁体与垫片一直向上移动或向下移动，导致平面螺旋感应线圈中磁通量发生变化，根据法拉第定理，从而产生出感应电压。当外界的振动驱使永磁体水平方向运动时，平面螺旋感应线圈切割磁力相关，根据法拉第定理，也会产生出感应电压。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器，包括：绝缘衬底、平面螺旋感应线圈、绝缘材料涂附层、拾振结构、图形化永磁体、支撑结构和引线电极，其特征在于：绝缘衬底、平面螺旋感应线圈和拾振结构依次由下而上固定设置，支撑结构位于平面螺旋感应线圈和拾振结构的外侧并与绝缘衬底固定连接，支撑结构将拾振结构悬空在绝缘材料涂附层上方。

2.根据权利要求1所述的基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的平面螺旋感应线圈为感应线圈绕组结构，所述平面螺旋感应线圈的两端分别与两个引线电极相连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的平面螺旋感应线圈为方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成。

4.根据权利要求3所述的基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的平面螺旋感应线圈上涂附绝缘材料涂附层，使螺旋感应线圈匝间相互绝缘。

5.根据权利要求1所述的基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的支撑结构是通过电镀镍或铜等金属或微电铸形成的方形或者弧形柱状结构。

6.根据权利要求1或5所述的基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的支撑结构是通过电镀金属或微电铸形成的方形或者弧形柱状结构，采用室温下多次叠层电镀金属制作或微电铸。

7.根据权利要求1所述的基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的拾振结构包括：位于正中的垫片、与垫片连接的蛇形弹簧、与蛇形弹簧相连接的连接片。

8.根据权利要求1所述的基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的永磁体是通过图形化方式制造，并固定在拾振结构上方。

9.根据权利要求1所述的基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的蛇形弹簧为S形结构或双S形结构，通过电镀镍或电镀铜制成，其中每个S形结构的内径为20-100微米，每个S形结构的平直部分长为50-500微米，单个蛇形弹簧长度为50-500微米。

10.根据权利要求1所述的基于图形化永磁体完全集成的微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的引线电极是通过电镀金属或微电铸形成的方形结构，采用室温下多次叠层电镀金属或微电铸制作。

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