CN103051146B

CN103051146B - 能量采集组件

Info

Publication number: CN103051146B
Application number: CN201210559696.2A
Authority: CN
Inventors: 王鹏
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: CN103051146A

Abstract

一种能量采集组件，包括：依次相对设置的第一基板、第二基板和第三基板；设于第一基板朝向第二基板一侧上的永磁体；设于第二基板中的振动结构，所述振动结构与所述永磁体之间设置有线圈，所述振动结构朝向第三基板一侧上设置有第一电极；设于第三基板朝向第二基板一侧上的第二电极；设于所述第一电极和第二电极之间的驻极体；所述振动结构带动所述线圈和所述第一电极进行振动。本发明可以提高输出的采集能量。

Description

能量采集组件

技术领域

本发明涉及微电子机械技术领域，尤其涉及一种能量采集组件。

背景技术

在MEMS（Micro-electromechanical Systems，微电子机械系统）技术发展的过程中，微能源问题已经成为MEMS进入实用化和自动化的主要障碍之一。很多系统（如：小型无线连网传感器节点和消费市场上的低成本计算器）对电源有严格限制,这涉及到远程位置、成本考虑、便携程度的需求以及其他因素。另外,转向无线通信的大趋势淘汰了系统中很多有线电缆,因而希望能使系统脱离电源线和充电器的束缚,而采用将环境中的机械振动能转换成电能的能量采集器(Energy harvester)。

能量采集器主要分为三种：静电（electrostatic）式、压电（piezoelectric）式和电磁（electromagnetic）式，其中，静电式能量采集器通过改变电容来产生电能，其在开始产生能量之前，以一个外部电源在电容之间产生原始电压差，当可变电容由于振动而发生改变时将机械能转换为电能；压电式能量采集器通过压电效应来产生电能，即压电材料在外界振动的激励下产生形变，引起材料内部偶极子的不对称，发生极化现象，同时在材料的外表面上出现正负相反的电荷；电磁式能量采集器是通过电场将机械能转化为电能，附在振动质量块的下面的线圈在固定永磁体产生的磁场中，由于通过线圈的磁通量发生变化，根据法拉第定律，会产生电势差。

更多关于能量采集器的技术可以参考申请公布号为CN101941671A的中国专利申请。

但是现有技术中上述三种能量采集器输出的电量都比较低，从而影响了其实际应用。

因此，如何提高能量采集器的能量输出就成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种能量采集组件，可以提高能量输出。

为解决上述问题，本发明提供了一种能量采集组件，包括：

依次相对设置的第一基板、第二基板和第三基板；

设于第一基板朝向第二基板一侧上的永磁体；

设于第二基板中的振动结构，所述振动结构与所述永磁体之间设置有线圈，所述振动结构朝向第三基板一侧上设置有第一电极；

设于第三基板朝向第二基板一侧上的第二电极；

设于所述第一电极和第二电极之间的驻极体；

所述振动结构带动所述线圈和所述第一电极进行振动。

可选地，所述振动结构包括：中心质量块和两个弹性元件，所述两个弹性元件位于所述中心质量块的相对两侧。

可选地，所述弹性元件为折叠弹性梁。

可选地，所述线圈为平面螺旋线圈。

可选地，所述永磁体包括并列设置的两块永磁体，且所述两块永磁体的磁极方向相反。

可选地，所述能量采集组件还包括：还包括：第一电引线、第二电引线和第三电引线，其中：所述第一电引线的一端连接所述线圈的一端，所述第一电引线的另一端连接所述第一电极，所述第二电引线的一端连接所述第二电极，所述第三电引线的一端连接所述线圈的另一端，所述第二电引线的另一端和所述第三电引线的另一端连接同一负载。

可选地，所述第一电极和第二电极的材料为铝、铜或铜铝合金。

可选地，所述第一基板、第二基板和第三基板的材料为硅、氧化硅、锗或氧化锗中的任一种。

可选地，所述中心质量块的材料与所述第二基板的材料相同。

可选地，所述第一电极和第二电极的形状为梳齿状。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：相对设置的第一基板和第二基板中，第一基板朝向第二基板一侧上设置有永磁体，第二基板中设有振动结构，所述振动结构与所述永磁体之间设置的线圈可以随振动结构进行振动，线圈在固定永磁体产生的磁场中，由于通过线圈的磁通量发生变化，根据法拉第定律会产生电势差，可以将机械能转化为电能；相对设置的第二基板和第三基板中，第二基板中设有振动结构，所述振动结构朝向第三基板一侧上设置有第一电极，设于第三基板朝向第二基板一侧上设置有第二电极，第一电极和第二电极之间设置有驻极体，所述振动结构带动所述第一电极进行振动，从而第一电极和第二电极之间的相对面积随着振动结构的振动而变化，即第一电极和第二电极之间的电容在不断变化，而由于驻极体的存在，第一电极和第二电极感生电荷总量保持不变，从而形成电势差，进而可以将机械能转换为电能，最终使得该能量采集组件既可以基于电磁原理产生电能，也可以基于静电原理产生电能，增大了能量采集组件输出的能量，提高了采集效率。

此外，由于基于电磁原理的能量采集器和基于静电原理的能量采集器都可以与CMOS工艺进行很好地兼容，因此本发明中的能量采集模组与CMOS工艺的兼容性也很好，从而降低了生产成本，简化了工艺。

附图说明

图1是本发明一实施例中能量采集组件的结构示意图；

图2是图1中A表面的结构示意图；

图3是图1中B表面的结构示意图；

图4是图1中C表面的结构示意图；

图5是图1中D表面的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，现有技术中存在静电式、压电式和电磁式三种静电采集器，但是其采集的电能都比较小，从而限制了其大范围的应用。

针对上述问题，发明人提出可以将基于横向振动的电磁式能量采集器和基于横向振动的静电式能量采集器进行集成，从而可以在保持比较小体积的同时，提高采集效率，增大输出的电能。此外，由于电磁式能量采集器和静电式能量采集器都可以利用基于硅的MEMS工艺制造，包括静电式的驻极体材料Si₃N₄和SiO₂薄膜和电磁式的金属线圈都可以通过在硅基上制作，这与CMOS工艺能很好的兼容，而压电式的薄型材料比较难通过硅基制作，因此本发明提供的能量采集组件也可以与CMOS工艺进行较好地兼容。

下面结合附图进行详细说明。

参考图1至图5所示，本实施例提供了一种能量采集组件，包括：

依次相对设置的第一基板1、第二基板2和第三基板3；

设于第一基板1朝向第二基板2一侧表面A上的永磁体11和永磁体12；

设于第二基板2中的振动结构，所述振动结构与所述永磁体12之间设置有线圈21，所述振动结构朝向第三基板3一侧表面C上设置有第一电极25；

设于第三基板3朝向第二基板2一侧表面D上的第二电极（图中未示出）；

设于所述第一电极25和第二电极之间的驻极体31；

所述振动结构带动所述线圈21和所述第一电极25进行振动。

本实施例中第一基板1和第二基板2之间构成电磁式能量采集器，第二基板2和第三基板3之间构成静电式能量采集器，从而在仅增加一个基板体积的前提下，共用中间的第二基板2，即共用所述振动结构，实现了电磁式能量采集器和静电式能量采集器的高度集成，增加了输出的电能，提高了采集效率。

所述第一基板1、第二基板2和第三基板3的材料可以是硅、氧化硅、锗或氧化锗中的任一种，也可以是其他半导体材料，其对于本领域技术人员是熟知的，在此不再赘述。此外，所述第一基板1、第二基板2和第三基板3的材料可以是同一材料，也可以是不同材料。

所述第一基板11、第二基板2和第三基板3的截面形状可以是长方形或圆形等规则形状，也可以是其它不规则形状，其不限制本发明的保护范围。

本实施例所述第一基板11、第二基板2和第三基板3的材料均为硅，其截面形状均是长方形，且各基板的尺寸相同。

需要说明的是，在正常使用时，所述第一基板11与第二基板2之间以及第二基板2和第三基板3之间仅存在较小的间隙，从而整个能量采集组件的体积基本等于三个基板的体积之和。

参考图2所示，本实施例中第一基板1与第二基板2相对的表面A的中心位置上设置有并列设置的两块长方体的永磁体，即永磁体11和永磁体12。优选地，所述永磁体11和永磁体12的磁极方向相反，如：永磁体11的磁极方向为S，永磁体12的磁极方向为N，从而由于两个永磁体磁极方向相反，当振动结构上的线圈21左右振动时，穿过线圈21的磁通量的变化量比单一方向磁场时大，从而产生的电势差增大。

所述永磁体11和永磁体12能够长时间保持其磁性，且不易失磁，也不易被磁化，其材料可以是天然的磁石（如：磁铁矿），也可以是人造磁石（如：铁镍钴磁钢）。

具体地，所述第一基板1的表面A上可以设置两个并列的长方形沟槽，进而使分别使永磁体11和永磁体12分别固定在这两个沟槽中。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述第一基板1的表面A上可以仅设置一个永磁体，且永磁体也可以采取其它形状，其不限制本发明的保护范围。

结合参考图3和图4所示，所述第二基板2包括：

中心质量块22；

两个弹性元件23，所述弹性元件23设置在所述中心质量块22相对的两侧，所述弹性元件23的一端连接所述中心质量块22；

支撑边框24，分别连接所述弹性元件23的另一端，用于支撑所述弹性元件23；

线圈21，位于所述中心质量块22朝向第一基板1的表面B上；

第一电极25，位于所述中心质量块22朝向第三基板3的表面C上；

所述中心质量块22和所述弹性元件23构成振动结构，所述振动结构带动所述线圈21和第一电极25进行振动。

具体地，所述中心质量块22的材料也可以是硅、氧化硅、锗或氧化锗等半导体材料。优选地，所述中心质量块22的材料与所述第二基板2的材料相同，从而可以简化制作工艺。

本实施例中所述中心质量块22为长方体，其尺寸小于所述支撑边框24的尺寸，以位于支撑边框24内；其尺寸大于所述线圈21的尺寸或第一电极25的尺寸，以使所述线圈21或所述第一电极25很好地设置在所述中心质量块22上。如：第二基板2的尺寸为7.5mm*6mm*0.5mm，中心质量块22的尺寸为4mm*4mm*0.42mm。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述中心质量块22还可以采用其他结构。

本实施例中所述弹性元件23可以为折叠弹性梁，优选地，两个折叠弹性梁的形状和尺寸分别一致，从而可以使中心质量块22均匀地左右振动。

在其他实施例中，所述弹性元件23还可以是弹簧等其他弹性元件，只要能使中心质量块22产生横向振动的结构都可以作为所述弹性元件23。

当采用图3和图4中所示的弹性元件23时，所述能量采集组件最好是水平放置，从而振动结构进行水平方向的振动。但在本发明的其他实施例中，可以通过改变弹性元件23的结构，使所述能量采集组件以任意方向（如：竖直方向）放置，从而振动结构沿对应的方向振动。

本实施例中所述线圈21为平面螺旋线圈，其材料为铜、铝、铜铝合金等金属。具体地，所述平面螺旋线圈既可以是圆形平面螺旋线圈，也可以是方形平面螺旋线圈；既可以是单层，也可以是多层。

本实施例中所述第一基板1和第二基板2中的振动结构、支撑边框24、中心质量块22和线圈21构成横向振动的电磁式能量采集器，从而当线圈21随中心质量块22进行振动时，在永磁体11和永磁体12的作用下，可以将机械能转换为电能，此时线圈21的两端可以通过电引线连接负载，为负载提供电源。

参考图5所示，本实施例中所述第三基板3与所述第二基板2相对的表面D的中心位置设置有第二电极（图中未示出），所述第二电极上设置有驻极体31（即永电体）。

所述驻极体31在开始使用时，可以先对驻极体31进行充电，使其表面携带电荷；充电完成后，所述驻极体31表面的电荷会长时间保持下来。

所述驻极体31可以包括：硅基底、位于所述硅基底上的Si₃N₄薄膜和位于Si₃N₄薄膜上的SiO₂薄膜。

本实施例中所述第一电极25和第二电极的尺寸以及初始位置分别一致，从而当第一电极25随中心质量块发生振动时，所述第一电极25和第二电极之间的相对位置会发生改变，从而第一电极25和第二电极之间的电容会相应发生变化，由于驻极体31的存在，两个电极间产生的感生电荷保持不变，而电容变化，产生电能。

优选地，所述第一电极25和第二电极的形状均为梳齿状，从而梳齿状结构的电极在中心质量块22振动时，能产生最大的电容变化量，在电荷保持恒定时，电容变化越大，产生的电势差越大。

在其他实施例中，所述第一电极25和第二电极的尺寸、形状、初始位置等也可以分别不对应，其不限制本发明的保护范围。

所述第一电极25和第二电极的材料可以为铝、铜或铜铝合金等金属材料。

本实施例对所述驻极体31的尺寸没有限制，其可以大于所述第一电极25或第二电极的尺寸，也可以小于或等于所述第一电极25或第二电极的尺寸，只需要在第一电极25和第二电极之间设置驻极体31，就会产生感生电荷。

本实施例中所述第三基板3和第二基板2中的振动结构、支撑边框24、中心质量块22和线圈21构成横向振动的静电式能量采集器，从而当第一电极25随中心质量块22进行振动时，在驻极体31的作用下，两个电极间产生的感生电荷保持不变，而电容的变化可以将机械能转换为电能，此时第一电极25和第二电极可以分别通过电引线连接负载，为所述负载提供电源。

此外，为了提高输出的电能，可以将静电式能量采集器和电磁式能量采集器这两个电源进行串联，即本实施例中可以包括：还包括：第一电引线、第二电引线和第三电引线，其中：所述第一电引线的一端连接所述线圈的一端，所述第一电引线的另一端连接所述第一电极，所述第二电引线的一端连接所述第二电极，所述第三电引线的一端连接所述线圈的另一端，所述第二电引线的另一端和所述第三电引线的另一端连接同一负载，从而同时基于电磁原理和静电原理为所述负载提供电能。

此外，由于电磁式能量采集器和静电式能量采集器分别具有不同的优点，因此也可以根据使用场合的不同，选择使用电磁式能量采集器或静电式能量采集器提供电源，从而扩大了使用范围。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种能量采集组件，其特征在于，包括：

依次相对设置的第一基板、第二基板和第三基板；

设于第一基板朝向第二基板一侧上的永磁体；

设于第三基板朝向第二基板一侧上的第二电极；

设于所述第一电极和第二电极之间的驻极体；

所述振动结构带动所述线圈和所述第一电极进行振动。

2.如权利要求1所述的能量采集组件，其特征在于，所述振动结构包括：中心质量块和两个弹性元件，所述两个弹性元件位于所述中心质量块的相对两侧。

3.如权利要求2所述的能量采集组件，其特征在于，所述弹性元件为折叠弹性梁。

4.如权利要求1所述的能量采集组件，其特征在于，所述线圈为平面螺旋线圈。

5.如权利要求1所述的能量采集组件，其特征在于，所述永磁体包括并列设置的两块永磁体，且所述两块永磁体的磁极方向相反。

6.如权利要求1所述的能量采集组件，其特征在于，还包括：第一电引线、第二电引线和第三电引线，其中：所述第一电引线的一端连接所述线圈的一端，所述第一电引线的另一端连接所述第一电极，所述第二电引线的一端连接所述第二电极，所述第三电引线的一端连接所述线圈的另一端，所述第二电引线的另一端和所述第三电引线的另一端连接同一负载。

7.如权利要求1所述的能量采集组件，其特征在于，所述第一电极和第二电极的材料为铝、铜或铜铝合金。

8.如权利要求1所述的能量采集组件，其特征在于，所述第一基板、第二基板和第三基板的材料为硅、氧化硅、锗或氧化锗中的任一种。

9.如权利要求2或3所述的能量采集组件，其特征在于，所述中心质量块的材料与所述第二基板的材料相同。

10.如权利要求1所述的能量采集组件，其特征在于，所述第一电极和第二电极的形状为梳齿状。