CN103036477A

CN103036477A - 基于柔性聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器

Info

Publication number: CN103036477A
Application number: CN2012105520107A
Authority: CN
Inventors: 张海霞; 韩梦迪; 张守鹤
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: CN103036477B

Abstract

本发明涉及一种基于柔性聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器,通过对柔性聚合物压电材料（如聚偏氟乙烯，PVDF）、永磁体（如钕铁硼，NdFeB）、微机电系统（MEMS）电感线圈进行组装，实现了多模态、复合式的能量采集，可以有效地收集环境中的低频振动，为低功耗微电子器件供能。

Description

基于柔性聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器

技术领域

背景技术

随着科技水平的不断发展，物联网技术已经成为当前信息技术的研究热点，具有很大的发展前景，无线微型传感器是物联网中必不可少的器件，由于工作环境的限制，传统的功能方法如电池、传输线等并不能满足无线微型传感器的需求，因此需要采用新的供能方法。因此，能量采集技术应运而生。能量采集是将环境中的各种能量通过某种方式转换为电能，从而为微电子器件提供能量。环境中的能量主要有太阳能、风能、振动能等等。对于太阳能和风能，器件的输出性能均会受天气影响，造成供能的不稳定。相比之下，振动能是无处不在的，制备将振动能转化为电能的器件可以解决物联网中无线微型传感器的供能问题。目前，基于振动的能量采集器主要有三种工作方式：静电式、压电式、电磁式。静电式能量采集器输出电压较高，但是工作过程中需要外加电源，因此不适于无线微型传感器的供能。压电式能量采集器和电磁式能量采集器则不需外加电源，可以用于无线微型传感器的供能。

H.Liu等人在“Piezoelectric MEMS Energy Harvester forLow-FrequencyVibrations With Wideband OperationRange and Steadily Increased OutputPower”（IEEE Journalof Microelectromechanical System 2011,20:1131-1142）（中文题目：“适用于低频振动的宽频带稳定高输出型压电式微机电系统能量采集器”，国际期刊：IEEE微电子机械系统学报）文章中报导了一种d₃₁模态的压电能量采集器，其谐振频率为36Hz，适用于采集环境中的低频振动，但是输出电压相对较低，为124mV。Y.B.Jeon等人在“MEMS power generator withtransverse mode thin film PZT”（Sensors and Actuators A,2005,122:16-22）（中文题目：“基于横向模态的锆钛酸铅薄膜微机电系统能量采集器”，国际期刊：传感器和执行器A）文章中报导了一种d₃₃模态的压电能量采集器，其输出电压高达3V，但是谐振频率过高，为13.9kHz。I.Sari等人在“An ElectromagneticMicro Power Generator forLow-Frequency Environmental Vibrations Basedonthe Frequency Upconversion Technique”（IEEE JournalofMicroelectromechanical System 2010,19:14-27）（中文题目：“基于升频技术的适用于环境低频振动采集的电磁式能量采集器”，国际期刊：IEEE微电子机械系统学报）报道了一种基于升频结构的电磁式能量采集器，可以有效地收集环境中的低频振动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于柔性聚合物压电材料（PVDF）的多模态、复合式能量采集器。首先将压电材料的d₃₁模态和d₃₃模态结合，实现低谐振频率与高输出。此外在多模态压电能量采集器的基础上增加电磁模块，实现优势互补。电磁模块中的电感线圈利用MEMS电镀铜工艺进行制备。

一种基于聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器,包括聚合物薄膜、聚合物悬臂梁、质量块、铜支柱。

进一步地，还包括电感线圈。

进一步地，聚合物薄膜为柔性聚合物PVDF薄膜，聚合物悬臂梁为PVDF悬臂梁，质量块为永磁铁质量块，优选为NdFeB永磁体质量块。

进一步地，采集器下衬底为聚合物薄膜，上衬底为电感线圈或聚合物薄膜。

一种基于聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器的制备方法，按顺序包括如下步骤：

（A）准备带有金属铝电极的PVDF薄膜与PVDF悬臂梁；

（B）将PVDF薄膜置于下衬底；

（C）搭建铜支柱，用于支撑PVDF悬臂梁和上衬底；

（D）将PVDF悬臂梁置于铜支柱上，在悬臂梁末端加质量块；

（E）将上衬底置于铜支柱上；

（F）引出电极，完成能量采集器制备。

进一步地，在步骤（A）之前还包括（S）电感线圈的制备。

（S）电感线圈的制备按顺序包括如下步骤：

任选的（S1）对准备的硅片进行清洗；

（S2）硅片双面氧化生长200-500nm的SiO₂绝缘层；

（S3）溅射10-50nm的Ti种子层和200-500nm的Cu种子层；

（S4）旋涂8-15μm厚的正胶，并光刻；

（S5）电镀平面螺旋Cu线圈，高度为8-15μm；

（S6）去除光刻胶和去除Ti/Cu种子层；

（S7）将电感线圈置于上衬底。

进一步地：

（S2）中SiO₂绝缘层厚度为300nm；

（S3）中Ti种子层厚度为30nm，Cu种子层厚度为300nm;

（S4）中正胶厚度10μm；

（S5）中Cu线圈高度为10μm。

（A）准备带有金属铝电极的PVDF薄膜与PVDF悬臂梁；

（B）将PVDF薄膜置于上、下衬底；

（C）搭建铜支柱，用于支撑PVDF悬臂梁和上衬底；

（D）将PVDF悬臂梁置于铜支柱上，在悬臂梁末端加质量块；

（E）将上衬底置于铜支柱上；

（F）引出电极，完成能量采集器制备。

上述能量采集器的用途可以收集环境中的低频振动，为低功耗为电子器件供能。

利用本发明制造的基于柔性聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器优点在于：（1）采用柔性聚合物材料作为悬臂梁，降低了能量采集器的谐振频率，可以有效地采集环境中的低频振动；（2）本发明将电磁式与压电式能量采集器复合，实现了二者的优势互补；（3）本发明将压电式能量采集器的d₃₁模态与d₃₃模态结合在一起，实现了不同模态的优势互补。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的基于柔性聚合物压电材料的多模态能量采集器示意图。

图2为本发明的基于柔性聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器的工作原理示意图。

图3为本发明的MEMS铜电感线圈的SEM照片。

图4为本发明的MEMS铜电感线圈的制备工艺流程。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征、优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

实施例1

例1为d₃₁与d₃₃模态复合式压电能量采集器，该器件的结构主要包括：PVDF薄膜、PVDF悬臂梁、质量块、铜支撑柱。外界环境中的振动会引起PVDF悬臂梁振动，产生d₃₁模态的输出；与此同时，末端质量块随PVDF悬臂梁振动，对下衬底上的PVDF薄膜进行敲击，产生d₃₃模态的输出。由于器件中不包含电磁模块，因此电感线圈的制备步骤可以省略，PVDF悬臂梁末端的质量块亦可用其它物质代替，其具体制备步骤如下：

（1）准备厚度为100μm，带有金属铝电极的PVDF薄膜与PVDF悬臂梁；

（2）将PVDF薄膜置于下衬底；

（3）搭建铜支柱，用于支撑PVDF悬臂梁和上衬底；

（4）将PVDF悬臂梁置于铜支柱上，在悬臂梁末端加质量块；

（5）将上衬底置于铜支柱上；

（6）引出电极，完成器件制备。

参照图1，图1为本发明的基于柔性聚合物压电材料的多模态能量采集器示意图。

实施例2

例2在d₃₁与d₃₃模态复合式压电能量采集器的基础上增加了电磁模块，该器件的结构主要包括：PVDF薄膜、PVDF悬臂梁、质量块、铜支撑柱以及MEMS平面电感线圈。当外界振动使PVDF悬臂梁振动时，除了产生压电输出，电感线圈中的磁通量会发生变化从而产生电磁输出，其具体制备步骤如下：

（1）备片、进行硅片清洗；

（2）在硅片上双面氧化生长300nm的SiO₂绝缘层；

（3）溅射30nm的Ti种子层和300nm的Cu种子层；

（4）旋涂10μm厚的正胶、第光刻；

（5）电镀平面螺旋Cu线圈，高度为10μm；

（6）去除光刻胶；

（7）去除Ti/Cu种子层；

（8）将电感线圈置于上衬底；

（9）准备厚度为100μm，带有金属铝电极的PVDF薄膜与PVDF悬臂梁；

（10）将PVDF薄膜置于下衬底；

（11）搭建铜支柱，用于支撑PVDF悬臂梁和上衬底；

（12）将PVDF悬臂梁置于铜支柱上，在悬臂梁末端加永磁体质量块；

（13）将上衬底置于铜支柱上；

（14）引出电极，完成器件制备。

参照图2，图2为本发明的基于柔性聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器的工作原理示意图。参照图3，图3为本发明的MEMS铜电感线圈的SEM照片。参照图4，图4为本发明的MEMS铜电感线圈的制备工艺流程。

实施例3

例三在d₃₁与d₃₃模态复合式压电能量采集器的基础上，在上衬底也增加了PVDF薄膜，即将例2中的MEMS平面电感线圈替换为PVDF薄膜。该器件的结构主要包括：PVDF薄膜、PVDF悬臂梁、质量块、铜支撑柱。外界振动使PVDF悬臂梁振动，产生d₃₁模态的输出；同时，末端质量块对上、下衬底上的PVDF薄膜进行敲击，产生d₃₃模态的输出。其具体制备步骤如下：

（1）准备厚度为100μm，带有金属铝电极的PVDF薄膜与PVDF悬臂

梁；

（2）将PVDF薄膜置于上、下衬底；

（3）搭建铜支柱，用于支撑PVDF悬臂梁和上衬底；

（4）将PVDF悬臂梁置于铜支柱上，在悬臂梁末端加质量块；

（5）将上衬底置于铜支柱上；

（6）引出电极，完成器件制备。

以上对本发明所提供的一种基于柔性聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器,其特征在于包括聚合物薄膜、聚合物悬臂梁、质量块、铜支柱。

2.根据权利要求1所述的能量采集器，其特征在于：还包括电感线圈。

3.根据权利要求1所述的能量采集器，其特征在于：聚合物薄膜为柔性聚合物PVDF薄膜，聚合物悬臂梁为PVDF悬臂梁，质量块为永磁铁质量块，优选为NdFeB永磁体质量块。

4.根据权利要求1所述的能量采集器，其特征在于：采集器下衬底为聚合物薄膜，上衬底为电感线圈或聚合物薄膜。

5.一种基于聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器的制备方法，其特征在于按顺序包括如下步骤：

（A）准备带有金属铝电极的PVDF薄膜与PVDF悬臂梁；

（B）将PVDF薄膜置于下衬底；

（C）搭建铜支柱，用于支撑PVDF悬臂梁和上衬底；

（D）将PVDF悬臂梁置于铜支柱上，在悬臂梁末端加质量块；

（E）将上衬底置于铜支柱上；

（F）引出电极，完成能量采集器制备。

6.根据权利要求5所述的基于聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器的制备方法，其特征在于:在步骤（A）之前还包括（S）电感线圈的制备。

7.根据权利要求6所述的基于聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器的制备方法，其特征在于（S）电感线圈的制备按顺序包括如下步骤：

任选的（S1）对准备的硅片进行清洗；

（S2）硅片双面氧化生长200-500nm的SiO2绝缘层；

（S3）溅射10-50nm的Ti种子层和200-500nm的Cu种子层；

（S4）旋涂8-15μm厚的正胶，并光刻；

（S5）电镀平面螺旋Cu线圈，高度为8-15μm；

（S6）去除光刻胶和去除Ti/Cu种子层；

（S7）将电感线圈置于上衬底。

8.根据权利要求7所述的基于聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器的制备方法，其特征在于：

（S2）中SiO2绝缘层厚度为300nm；

（S3）中Ti种子层厚度为30nm，Cu种子层厚度为300nm;

（S4）中正胶厚度10μm；

（S5）中Cu线圈高度为10μm。

9.一种基于聚合物压电材料的多模态复合式能量采集器的制备方法，其特征在于按顺序包括如下步骤：

（A）准备带有金属铝电极的PVDF薄膜与PVDF悬臂梁；

（B）将PVDF薄膜置于上、下衬底；

（C）搭建铜支柱，用于支撑PVDF悬臂梁和上衬底；

（D）将PVDF悬臂梁置于铜支柱上，在悬臂梁末端加质量块；

（E）将上衬底置于铜支柱上；

（F）引出电极，完成能量采集器制备。

10.一种权利要求1-4中的能量采集器或根据权利要求5-9制备得到的能量采集器的用途，其特征在于：收集环境中的低频振动，为低功耗为电子器件供能。