CN103166504B - 一种碰撞式微型能量采集阵列结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碰撞式微型能量采集阵列结构，其主要由基座和固定于基座上的采集单元阵列构成，每个采集单元由柔性带、衬底、压电复合梁、质量块和碰撞挡块构成；质量块通过压电复合梁与衬底连接，碰撞挡块固定于衬底上，衬底通过柔性带固定于基座上，各单元柔性带的长度略有差异。在环境振动及风作用下，各采集单元将发生不同步摆动，导致各单元之间发生相互碰撞，碰撞力导致质量块和压电复合梁发生振动，复合梁上的压电层进一步将振动能转换为电能。本发明提出的碰撞式微型能量采集阵列可以同时采集振动能和风能，对环境中常见的低频、宽带振动能和中低速风能具有高采集效率，对于目前只采集振动能或风能的微型能量采集系统而言，具有更大的环境适应性和更广的应用范围，可促进MEMS能量采集系统在无线传感等领域的广泛应用。

Description

一种碰撞式微型能量采集阵列结构

技术领域

本发明属于可再生能源领域，特别涉及到基于微机电系统（MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystems）技术的微能源系统。

背景技术

基于MEMS技术的微型能量采集系统可以将环境中的机械能、热能、电磁能（包括光能）等转换为电能，同传统电池相比，具有小体积、低成本、长寿命、易集成、不需更换或充电等优点，特别适合于为无线传感节点、便携电子产品等供电，近年来受到国内外学者广泛关注。由于振动能和风能在环境中广泛存在，国内外对MEMS微型振动能采集系统和MEMS微型风能采集系统开展了大量研究。

目前报道的MEMS微型振动能采集系统大多基于谐振机理，只有当环境振动频率与其固有频率匹配时，采集系统才有较大输出功率；一旦环境振动频率偏离其固有频率，输出功率急剧降低。根据调查，实际应用环境中可供利用的振动能大多具有低频、宽带特征，建筑物、树木、人体、汽车等应用环境的振动能主要部分均集中于50Hz以下的较宽频带内，而现有MEMS振动能采集系统对这种低频、宽带振动能的采集效率很低，难以满足无线传感节点等的用电需求。同包含转动部件的微型风能采集系统相比，基于风致振动机理的微型风能采集系统不包含转动部件，具有结构简单、易于采用MEMS工艺加工等优点，逐步成为微型风能采集系统研究的重点。但是，目前基于MEMS技术的风能采集系统目前尚存在工作风速高、输出功率低等问题，距实际应用需求尚有较大差距。

由以上分析可见，为了在无线传感、便携电子产品等领域得到应用，MEMS微型振动能采集系统对低频、宽带振动能的采集效率尚待提高，MEMS微型风能采集系统对中低速风能的采集效率尚待提高。另外，环境中往往同时存在振动能和风能，但目前报道的微型能量采集系统只采集其中的一种能量。

发明内容

本发明受风铃的结构和工作原理启发，提出一种可以同时采集环境中的低频、宽带振动能和中低速风能的碰撞式微型能量采集阵列结构。

为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种碰撞式微型能量采集阵列结构，由基座和悬挂固定于基座上的能量采集阵列构成，所述能量采集阵列是由多个分离的采集单元按阵列布置构成，其中每个采集单元包括柔性带、衬底、压电复合梁、质量块和碰撞挡块。

质量块通过压电复合梁与衬底连接，碰撞挡块固定于衬底上，衬底通过柔性带悬挂固定于基座上。

各采集单元柔性带的长度略有差异，柔性带长度大于压电复合梁和质量块长度之和的0.2倍，小于压电复合梁和质量块的长度之和的5倍，以使各采集单元的动力特性略有不同。

各采集单元的柔性带之间的距离大于压电复合梁和质量块的长度之和的0.2倍，小于压电复合梁和质量块的长度之和，以使在环境振动及风的作用下，各单元产生摆动并能在碰撞挡块处发生相互碰撞。

采用以上结构，在环境振动及风的作用下，各能量采集单元将发生不同步的摆动，导致各单元在碰撞挡块处发生相互碰撞，碰撞力导致采集单元的质量块和压电复合梁发生较强烈的振动，由于压电效应，复合梁上的压电层上、下表面之间将产生交变电势差，利用该电势差就可以为储能器充电或直接为某些负载供电。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提出的碰撞式微型能量采集阵列同风铃相似，利用由柔性带悬挂的结构在中低速风作用下易于发生摆动，以及具有不同柔性带长度的单元之间易于发生碰撞的现象，可以高效采集环境中的中低速风能；

2、本发明提出的碰撞式微型能量采集阵列中各柔性带的刚度很低，采集单元固有频率低，同时由于各采集单元的固有频率略有差异，因此当环境低频振动的频率在较宽频带内变化时，总有几个采集单元的频率与环境振动频率接近，产生较大幅度的振动，并与附近的采集单元发生相互碰撞，使其压电复合梁和质量块产生振动并进一步利用压电效应将振动能转换为电能，由此可见，该碰撞式微型能量采集阵列可以实现对环境中低频、宽带振动能的高效采集；

3、本发明提出碰撞式能量采集阵列可以采用MEMS技术和微组装技术加工，因此具有尺寸小、成本低等优点；

4、本发明提出的碰撞式能量采集阵列可以同时采集环境中的振动能和风能，同目前只采集振动能或风能的微型能量采集系统相比，该碰撞式能量采集阵列的环境适用性更强，应用范围更广，可广泛应用于无线传感、便携电子产品等领域。

附图说明

图1是碰撞式微型能量采集阵列结构的示意图；

图2是热氧化的二氧化硅示意图；

图3是淀积下电极和压电层后，图形化的压电层示意图；

图4是图形化的下电极示意图；

图5是淀积并图形化的上电极示意图；

图6是衬底正面形成的释放槽示意图；

图7是衬底背面淀积并图形化的掩膜示意图；

图8是从衬底背面释放结构后得到的固定于硅衬底上的压电复合梁和质量块的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

如图1所示，一种碰撞式微型能量采集阵列结构，其主要由基座1和固定于基座上的能量采集单元构成，能量采集单元按阵列布置，每个能量采集单元由柔性带2、衬底3、压电复合梁4、质量块5和碰撞挡块6构成。质量块5通过压电复合梁4与衬底3连接，碰撞挡块6固定于衬底3上，衬底3通过柔性带2悬挂固定于基座1上，各能量采集单元的柔性带2的长度略有差异，使各采集单元的动力特性（固有频率、振型等）略有不同，这些具有不同动力特性的单元在振动和风作用下的摆动不一致，更易于发生相互碰撞。

在风作用下，碰撞式微型能量采集阵列的采集单元将产生低频摆动，当风速超过某特定值（临界风速）时，阵列中的MEMS能量采集单元之间将发生相互碰撞，该碰撞将对固定与衬底上的压电复合梁和质量块产生一个碰撞力脉冲，导致压电复合梁和质量块振动，压电复合梁上的压电膜将把振动能转换为电能，最终实现了将风能转换为电能的目的。由于柔性带很柔软，以上能量采集单元在中低速风的作用下就可以产生较大幅度的摆动并发生相互碰撞，因此本发明提出的碰撞式微型能量采集阵列可以实现对中低速风能的采集。

柔性带刚度很低，各能量采集单元的固有频率很低，另外，由于各采集单元的固有频率略有差异，因此当环境振动频率较低，并在较宽频带内变化时，总有几个能量采集单元的频率与振动频率接近，产生较大幅度的振动，并与附近的能量采集单元发生相互碰撞，使压电复合梁和质量块发生较强烈的振动，压电复合梁上得压电膜将会把这种振动能转换为电能。由此可见，本发明提出的碰撞式微型能量采集阵列可以实现对环境中低频、宽带振动能的采集。

由上述分析还可见，在振动和风联合作用下，本发明提出的碰撞式微型能量采集阵列也可以同时采集环境中的振动能和风能。

压电复合梁、质量块采用硅微加工工艺制作，基座1采用精密机械加工方法制作，柔性带2采用非硅工艺制作，或者直接采用塑料薄膜。衬底和柔性带2采用AB胶粘接。

固定于衬底上的压电复合梁和质量块采用硅微加工工艺制作，具体加工工艺如下：

1、选取单面抛光的单晶硅片作为衬底3，首先通过热氧化生长约200nm的二氧化硅（S_iO₂）层7，如图2所示。

2、采用溅射工艺在衬底正面生长120nm/150nm的钛/铂（Ti/Pt）层作为下电极8，进一步采用溅射工艺在衬底正面生长厚度约200nm的氮化铝（AlN）作为压电层9，衬底正面涂光刻胶，正面第1次光刻，并通过湿法腐蚀对AlN膜进行图形化，去除光刻胶，形成压电层图形，如图3所示。

3、衬底正面涂光刻胶，正面第2次光刻，并通过湿法腐蚀分别腐蚀Pt层和Ti层至下面的S_iO₂层，去除光刻胶，形成下电极图形，如图4所示。

4、采用溅射法在衬底正面生长120nm/150nm的Ti/Pt层作为上电极10，衬底正面涂光刻胶，正面第3次光刻，并通过湿法腐蚀分别腐蚀Pt层和Ti层，去除光刻胶，形成上电极图形，如图5所示。

5、在衬底正面涂厚光刻胶，正面第4次光刻，湿法腐蚀S_iO₂层，进一步采用感应耦合等离子刻蚀从衬底正面刻蚀单晶硅层30~50μm，去除光刻胶，形成正面释放槽图形11，如图6所示。

6、采用溅射法在衬底背面溅射厚度300nm的铝（Al）层12，在衬底背面涂光刻胶，背面第1次光刻，湿法腐蚀Al层和S_iO₂层，去除光刻胶，形成Al掩膜图形，如图7所示。

7、采用感应耦合等离子刻蚀从衬底背面刻蚀单晶硅层至刻透释放槽，得到释放了的微结构，最后得到固定于硅衬底上的压电复合梁和质量块，如图8所示。

以上压电层也可以不用AlN材料，而改用PZT、PVDF、ZnO等，压电层的制备也可以采用溶胶-凝胶等其它方法。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换（如利用电磁感应或静电原理实现振动能到电能的转换，以及采用其他工艺制作各部件等），而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种碰撞式微型能量采集阵列结构，其由基座（1）和悬挂固定于基座上的能量采集阵列构成，其特征在于：所述能量采集阵列是由多个分离的采集单元按阵列布置构成，每个采集单元包括柔性带（2）、衬底（3）、压电复合梁（4）、质量块（5）和碰撞挡块（6），质量块通过压电复合梁与衬底连接，碰撞挡块固定于衬底上，衬底通过柔性带悬挂于基座上；所述各采集单元的柔性带沿悬挂方向的长度不同，导致各采集单元的动力特性存在差异，目的是使各采集单元在环境振动和风作用下的摆动不同步；并且各采集单元的柔性带之间的水平方向的距离大于压电复合梁和质量块的沿悬挂方向的长度之和的0.2倍，小于压电复合梁和质量块的沿悬挂方向的长度之和，柔性带沿悬挂方向的长度大于压电复合梁和质量块沿悬挂方向的长度之和的0.2倍，小于压电复合梁和质量块的沿悬挂方向的长度之和的5倍，使各采集单元在不同步的摆动中发生相互碰撞；

当不同步的摆动导致各采集单元之间发生相互碰撞，碰撞使压电复合梁和质量块发生较强烈的振动，压电复合梁中的压电层进一步将振动能转换为电能，实现风能和振动能的采集。