CN102522915A - 基于电磁和静电耦合的微型能量采集器 - Google Patents

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CN102522915A CN2011104185732A CN201110418573A CN102522915A CN 102522915 A CN102522915 A CN 102522915A CN 2011104185732 A CN2011104185732 A CN 2011104185732A CN 201110418573 A CN201110418573 A CN 201110418573A CN 102522915 A CN102522915 A CN 102522915A
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杨斌
刘景全
杨春生
李以贵
杉山进
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Shanghai Jiaotong University
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Abstract

本发明涉及一种基于电磁和静电耦合的微型能量采集器，包括：上下电容极板，感应线圈和磁铁，其中，所述磁铁固定在上电容极板的中心位置上，所述感应线圈分布在下电容极板的周围，所述的上下电容极板之间以空气作为介质。与现有的电容式能量采集器相比，消除了外加电压源这一要求或增加驻极体结构层，同时通过耦合两种能量转换机制能明显提高输出电压和器件的转换效率。该器件具有结构简单，制作容易，体积减小，转换效率高，并且适用于低频振动源下的工作环境。

Description

基于电磁和静电耦合的微型能量采集器
技术领域
本发明涉及的是一种能源技术领域的器件，更具体的说，涉及一种基于电磁和静电耦合的微能量采集器。
背景技术
近年来，随着无线传感器网络、物联网和环境健康监测等微系统器件及其技术的迅速发展，对微器件的供电电源提出新的要求和挑战。传统的化学电池供电方式因其容量有限、寿命短、体积大等缺点，而且带来污染，已严重限制了上述系统的应用。目前，由于生活中振动源大量存在，微型能量供给技术特别是基于振动式能量采集器是解决以上问题的有效方法之一。
静电式能量采集器是在外界振动源激励下改变固定电极和可动电极之间的电容来实现能量输出的。静电式能量采集器都需要施加外界电压源供电器件才能输出能量。为了消除这一特性，通常需要采用驻极体材料，大部分驻极体材料是聚合物，因此在微器件加工过程中很难和CMOS工艺集成。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于电磁和静电耦合的微型能量采集器，通过电磁产生的输出电压供应给静电所需的外加电压源，从而有效解决了通过驻极体材料解决这一问题的唯一途径，同时通过耦合这两种机制，明显改善输出电压和转换效率。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于电磁和静电耦合的微型能量采集器，包括上下电容极板，感应线圈和磁铁，其中，所述磁铁固定在上电容极板的中心位置上，所述感应线圈分布在下电容极板的周围，所述的上下电容极板之间以空气作为介质。
所述的结构支撑层包括二氧化硅或氮化硅，或聚合物层，如parylene层，PDMS层等。
所述的磁铁包括采用电镀方式进行制作的磁铁，如Ni，NdFeB等，或采用自组装方式进行组合的磁铁。
所述的线圈采用平面线圈或电镀工艺制作的立体线圈，包括单层或多层线圈。
本发明采用耦合电磁和静电两种转换方式的微型能量采集器，在外界振动源的激励下，上下电容极板产生相对运动，磁铁由于和固定线圈有相对运动从而切割磁力线产生输出电压，而同时向下极板的相对运动带来平行板电容发生相对变化，从而在供电电压下产生输出电压。这一供电电压由线圈输出电压提供。从而避免采用外界供电电压源或在结构中添加驻极体层。本发明采用微细加工的方法进行制作，易于批量生产和微型化，同时将和CMOS电路进行集成，完成系统化功能器件。
附图说明
图1是本发明的结构剖视图
具体实施方式
如图1所示，本发明所公开的基于电磁和静电耦合的微型能量采集器，包括：衬底1，绝缘层2，下电容极板3，上电容极板5，结构支撑层4，磁铁6，感应线圈7和键合电极8.衬底1位于最底层，并通过DRIE或湿法进行衬底背面的通孔刻蚀，在衬底1上沉积绝缘层2，然后通过溅射或蒸发工艺实施下电容极板3和线圈种子层的制作，并通过电镀工艺制作三维立体感应线圈7。之后沉积牺牲层并进行图形化，然后沉积结构支撑层4，图形化打开与下电容极板5以及感应线圈7的连接处，再通过溅射或蒸发工艺实施上电容极板5的制作，对该层金属进行图形化，然后通过化学刻蚀或干法刻蚀去释放上电容极板5和下电容极板3之间的牺牲层，然后在上电容极板5中心位置进行电镀磁铁或将电镀好的磁铁组装到上电容极板5的中心位置。
衬底1包括硅衬底，玻璃衬底或SOI衬底；绝缘层2使用二氧化硅或氮化硅；结构支撑层4采用聚合物材料；磁铁6采用电镀工艺实施，并沿厚度方向激化；感应线圈7采用平面线圈或电镀工艺制作的立体线圈。
在外界振动源的激励下，下电容极板3和上电容极板5产生相对运动，磁铁6由于和感应线圈7有相对运动从而切割磁力线产生输出电压，而同时向下电容极板的相对运动带来平行板电容发生相对变化，从而在供电电压下产生输出电压。这一供电电压由线圈输出电压提供。从而避免采用外界供电电压源或在结构中添加驻极体层。

Claims (4)

1.一种基于电磁和静电耦合的微型能量采集器，其特征在于，包括：上下电容极板，感应线圈和磁铁，其中，所述磁铁固定在上电容极板的中心位置上，所述感应线圈分布在下电容极板的周围，所述的上下电容极板之间以空气作为介质。
2.根据权利要求1所述的基于电磁和静电耦合的微型采集器，其特征在于，所述的结构支撑层包括二氧化硅或氮化硅，或聚合物层。
3.根据权利要求1所述的基于电磁和静电耦合的微型采集器，其特征在于，所述的磁铁采用电镀工艺实施，并沿厚度方向激化，或采用自组装方式进行组合的磁铁。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于电磁和静电耦合的微型采集器，其特征在于，所述的线圈采用平面线圈或电镀工艺制作的立体线圈，包括单层或多层线圈。
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