CN103199738B - 基于mems技术的压电-电磁复合式宽频俘能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，属于微机电系统领域。其包括：边框1、2个以上的MEMS压电-电磁复合式俘能单元11、管壳20和盖板2。盖板2盖在管壳20的上面，边框1固定于管壳20的内部，MEMS压电-电磁复合式俘能单元11固定于边框1内。每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11包括：磁铁3、线圈4、质量块5、4根结构梁、第一上电极层7、第二上电极层8、下电极层9、PZT压电材料层10、绝缘层15。本发明提出的俘能器与已有MEMS振动型俘能器相比较，具有以下优点：①将线圈材料、压电材料的制备与MEMS工艺实现兼容设计，且成本较低。②具有宽频带俘能效果，并同时能输出较大电压和较大电流。

Description

基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS（Micro-electro-mechanical Systems，微机电系统）技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，属于微机电系统领域。
背景技术
近年来，随着低功耗器件，特别是适用于无线传感网络和微惯性系统中的低功耗MEMS传感器和ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）芯片的发展，使得从工作环境中直接俘获能量以供给器件工作成为可能。
传统方式中主要利用化学电池给器件供电，但这种供能方式存在比较突出的问题：（1）化学电池的寿命有限，间隔一段时间需要更换或充电，对于在偏远地区或在特殊环境中工作（如密闭空间中）的器件来说，更换电池、给电池充电成本太高或不可行；（2）化学电池对环境的污染较大，同时，处理废弃电池将导致成本进一步增加；（3）化学电池的体积较大，无法在工作空间较小的系统中使用；（4）化学电池无法实现与MEMS器件集成，因而进一步限制了其在MEMS领域中的应用。考虑到MEMS器件的工作环境及对供能方式的要求，如能长时间工作、占用工作空间小及可与MEMS工艺兼容等，研究开发可替代化学电池的供能方式已成为近年来的研究热点。
目前国内外已研究出多种替代化学电池的微能源，主要有振动型俘能器、太阳能电池、温差电池等供能方式，但其中的太阳能电池与温差电池对工作环境中的光、温度等有较苛刻的要求，且不能在密闭环境中工作，这些因素在很大程度上限制了它们的应用。而振动型俘能器则是将振动能转化为电能的一种俘获能量器件，几乎所有的器件、系统都工作在一定的振动环境中，因此，振动型俘能器的应用范围非常广阔。目前，研究开发出的振动型俘能器主要包括基于MEMS技术的振动型俘能器和基于传统加工技术的微小型振动俘能器，其中，由于MEMS俘能器的体积小，且能实现与其他MEMS传感器的集成，因此，可应用于无线传感网络和微惯性系统中为MEMS器件供能。
目前已研究出的MEMS振动型俘能器主要包括三种类型，分别是基于压电效应的压电式俘能器、基于电磁感应定律的电磁式俘能器及基于电容原理的静电式俘能器。由于具有体积小、能长时间工作、可实现无源供能，且可与MEMS工艺相集成等优点，MEMS振动型俘能器已成为了近年来MEMS领域及微能源领域的研究热点。但目前已研究出的MEMS俘能器还存在一些限制其应用的因素，比如带宽较窄（通常为几Hz到几十Hz），同时，三种类型的俘能器都有其各自不同的特点，如压电式俘能器的输出电压较大，但由于内阻较大导致输出电流较小，通常只有几微安到几十微安；电磁式俘能器的输出电流较大，但输出电压只有几十到几百毫伏，无法满足常用器件的供电要求；静电式俘能器则需要一定的初始电压才能正常工作，因而无法实现无源供能。此外，由于工作环境中的振动频率通常分布在一定的频带范围内，因此，需要拓宽MEMS俘能器的工作带宽，以覆盖整个工作环境的振动频率，提高俘能效率。所以，针对目前传统供能方式及已研究出的MEMS俘能器所存在的问题，研究开发一种同时具有宽频带、较大输出电压和较大输出电流的MEMS振动型俘能器成为必要。
发明内容
本发明的目的是为了解决已有MEMS振动型俘能器存在的不足，提出一种基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，其具有宽频带俘能效果并同时能输出较大电压和较大电流。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，包括：边框（1）、2个以上的MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）、管壳（20）和盖板（2）。
所述盖板（2）盖在管壳（20）的上面，边框（1）固定于管壳（20）的内部，所述2个以上的MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）固定于边框（1）内，并且MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）与管壳（20）的底面不接触。管壳（20）和盖板（2）的作用是封装边框（1）及全部MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11），对边框（1）及MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）起保护作用。
所述边框（1）为长方形或正方形边框，其作用是：①固定并支撑全部MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）；②布置引线及焊盘。所述焊盘的作用是实现与外接负载的电气连接。
所述2个以上的MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）位于同一平面并且等间距排布于边框（1）的内部。
所述2个以上的MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）可以单独工作，也可以将部分或全部的MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）串联或并联后一起工作。当单个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）能够满足频带需要时，MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）可单独工作；当需要提供高输出电压时，将部分或全部的MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）做串联连接；当需要提供高输出电流时，将部分或全部的MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）做并联连接。
所述MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）包括：磁铁（3）、线圈（4）、质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）、第一上电极层（7）、第二上电极层（8）、下电极层（9）、PZT（锆钛酸铅）压电材料层（10）、绝缘层（15）。
所述质量块（5）为正方体或长方体。
所述第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）以质量块（5）为中心，对称分布在质量块（5）的两侧，质量块（5）每侧的两根结构梁平行排布，并且每根结构梁的一端与边框（1）固定连接，另一端与质量块（5）固定连接；第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的形状和尺寸相同。质量块（5）的上表面与第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的上表面位于同一水平面。
所述质量块（5）和第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的作用是：①在确定了质量块（5）以及第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的形状和尺寸以后，即确定了所述MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的谐振频率和响应频带；②质量块（5）支撑线圈（4），当有外界振动信号时，质量块（5）振动带动线圈（4）进行同频率的振动，线圈（4）进行切割磁感线运动。
所述第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和质量块（5）的上表面上有绝缘层（15）；第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）上的绝缘层（15）的上表面有下电极层（9）；下电极层（9）通过引线与边框（1）上焊盘连接。下电极层（9）的上表面上有PZT压电材料层（10）；PZT压电材料层（10）的上表面上有第一上电极层（7）和第二上电极层（8），第一上电极层（7）和第二上电极层（8）之间有一定间隙。
所述PZT压电材料层（10）上有焊盘。
所述第二上电极层（8）上有焊盘。
所述第一上电极层（7）通过引线与PZT压电材料层（10）上的焊盘连接或与边框（1）上的焊盘连接。
所述第二上电极层（8）通过引线与其自身上的焊盘或边框（1）上的焊盘连接。
所述PZT压电材料层（10）的作用是：当质量块（5）振动时，引起第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和PZT压电材料层（10）弯曲变形，导致PZT压电材料层（10）中产生应力、应变，进而在PZT压电材料层（10）的上表面和下表面产生电荷。
所述线圈（4）固定于质量块（5）上表面的绝缘层（15）上，其作用是当线圈（4）切割磁感线运动时，在线圈（4）中产生感应电动势，输出能量。线圈（4）为平面线圈。
所述磁铁（3）位于线圈（4）的上方，粘附于盖板（2）的下表面，磁铁（3）和线圈（4）不接触，磁铁（3）的作用是提供磁场。
所述第一上电极层（7）和第二上电极层（8）的作用是收集PZT压电材料层（10）上表面产生的电荷。
所述下电极层（9）的作用是收集PZT压电材料层（10）下表面产生的电荷。
所述MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的作用是：①当有外界振动作用时，通过质量块（5）产生惯性力作用到第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）上，使第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）及PZT压电材料层（10）发生弯曲变形，根据压电效应，在PZT压电材料层（10）上、下表面产生电荷，实现俘能作用；②在外界振动作用下，质量块（5）发生振动，带到质量块（5）上表面的线圈（4）进行同频率的振动，在磁铁（3）的作用下，根据电磁感应定律，在线圈（4）中产生电动势，实现俘能作用。
在制备基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器的过程中，通过优化确定每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）中的质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）的形状和尺寸，使每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）分别具有不同的谐振频率，并且每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的频响之间有交集，将多个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）组合后，即可实现宽频带俘能效果。
当所述的基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器工作在设计的较宽频率范围内时，不同频率的振动总能激发一个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）工作，达到振动俘能的效果，当工作频率等于MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的谐振频率时质量块（5）发生共振，俘能效果最佳。
当外界振动引起质量块（5）振动时，根据压电效应和电磁感应定律，第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）上的PZT压电材料层（10）和质量块（5）上表面的线圈（4）同时输出电流、电压，并且PZT压电材料层（10）能输出较大的电压，而线圈（4）则能产生较大的电流，即通过同一MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）可同时输出高电压和高电流，实现压电-电磁复合式俘能作用。当PZT压电材料层（10）的压电系数越大、厚度越厚、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的弯曲变形越大时，输出的电压越大；当线圈（4）的匝数越多、电阻越小、磁铁（3）的剩余磁感应强度越强、线圈（4）与磁铁（3）的间距越小时，输出的电流越大。同时，当负载电阻和MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的内阻相等时，MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）输出的功率最大。
所述基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器的制备工艺过程具体为：
步骤0：根据应用需要的频带范围，设计MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的工作频带，以及MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的数量N，N≥2；并确定每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）中质量块（5）和第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的位置、形状和尺度；根据应用需要的电压、电流，设计MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）中PZT压电材料层（10）的厚度，线圈（4）的厚度、线宽及线间距；同时设计边框（1）的尺寸。
步骤1：在步骤0操作的基础上，设计、制备掩膜版，具体为：在一块完整的硅片上确定出边框（1）的位置、N个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的位置以及每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）中质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）的位置；然后对硅片进行抛光，并对抛光的硅片表面通过氧化形成二氧化硅层；
步骤2：在经过步骤1处理后得到的硅片的上表面上通过溅射工艺依次制备绝缘层（15）和下电极层（9）；
步骤3：在下电极层（9）的上表面通过溶胶-凝胶法制备PZT压电材料层（10）；
步骤4：对PZT压电材料层进行图形化处理，保留步骤1所设计的N个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）上的PZT压电材料层（10），将硅片上其余部分的PZT压电材料层（10）去除掉，并在保留下来的PZT压电材料层（10）上加工焊盘。
步骤5：在步骤4操作的基础上，保留PZT压电材料层（10）下面的下电极层（9），去除掉硅片上其余部分的下电极层（9）；
步骤6：在步骤5操作的基础上，保留N个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和质量块（5）上面的绝缘层（15），去除掉硅片上其余部分的绝缘层（15）；
步骤7：通过溅射工艺，在每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的每根结构梁的PZT压电材料层（10）的上表面分别制备第一上电极层（7）和第二上电极层（8）；在第二上电极层（8）上加工焊盘。
步骤8：在N个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的质量块（5）上的绝缘层（15）的上表面，利用电镀工艺分别制备一个线圈（4）；
步骤9：保留硅片上的边框（1）、N个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）的第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和质量块（5）的部分，去除掉硅片的其它部分，并在边框（1）上加工焊盘。
步骤10：把经过步骤9处理后得到的结构固定于管壳（20）内，并使质量块（5）与管壳（20）的底面不接触；
步骤11：将N块磁铁（3）粘附于盖板（2）的下表面，且位于N个线圈（4）的正上方的位置，磁铁（3）和线圈（4）不接触；
步骤12：将盖板（2）固定于管壳（20）的上方，并使盖板（2）的下表面粘附的N块磁铁（3）分别处于N个线圈（4）的正上方，至此得到所述基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器。
有益效果
本发明提出的基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器与已有的MEMS振动型俘能器相比较，具有以下优点：
①所述MEMS压电-电磁复合式宽频俘能器将线圈材料、压电材料的制备与MEMS工艺实现兼容设计，在同一振动单元中实现能量的双转化模式且成本较低。
②所述基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器具有宽频带俘能效果，并同时能输出较大电压和较大电流。
附图说明
图1为本发明具体实施例中的封装管壳和盖板结构示意图；
其中，2—盖板；20—管壳。
图2为本发明具体实施例中边框、5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元以及盖板的结构示意图；
1—边框；2—盖板；3—磁铁；4—线圈；7—第一上电极层；8—第二上电极层；11—MEMS压电-电磁复合式俘能单元。
图3为图2的A-A′剖面示意图；
其中，5—质量块。
图4为本发明具体实施例中5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元排布示意图；
图5为本发明具体实施例中MEMS压电-电磁复合式俘能单元的上视图；
图6为本发明具体实施例中MEMS压电-电磁复合式俘能单元的底视图；
其中，6—第一结构梁；12—第二结构梁；13—第三结构梁；14—第四结构梁；
图7为图5的B-B′剖面示意图以及该剖面对应盖板位置的剖面示意图。
其中，9—下电极层；10—PZT压电材料层；15—绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明技术方案做详细描述。
基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，包括：边框1、5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11、管壳20和盖板2。其中，管壳20和盖板2结构如图1所示，边框1、5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11以及盖板2的结构如图2所示；图2的A-A′剖面示意图如图3所示。
盖板2盖在管壳20的上面，边框1固定于管壳20的内部，5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11固定于边框1内，并且MEMS压电-电磁复合式俘能单元11与管壳20的底面不接触。管壳20和盖板2的作用是封装边框1及全部MEMS压电-电磁复合式俘能单元11，对边框1及MEMS压电-电磁复合式俘能单元11起保护作用。
边框1为正方形，长为8mm，宽为8mm，厚为0.4mm。其作用是：①固定并支撑全部MEMS压电-电磁复合式俘能单元11；②布置引线及焊盘。焊盘的作用是实现与外接负载的电气连接。
5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的组成结构一样、位于同一平面并且等间距排布于边框1的内部。5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的排布如图4所示。
5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11单独工作。
MEMS压电-电磁复合式俘能单元11，包括：磁铁3、线圈4、质量块5、第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14、第一上电极层7、第二上电极层8、下电极层9、PZT压电材料层10、绝缘层15。MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的上视图如图5所示；MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的底视图如图6所示；图5的B-B′剖面示意图以及该剖面对应盖板位置的剖面示意图如图7所示。
质量块5为长方体。
第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14以质量块5为中心，对称分布在质量块5的两侧，质量块5每侧的两根结构梁平行排布，并且每根结构梁的一端与边框1固定连接，另一端与质量块5固定连接；第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14的形状和尺寸相同。质量块5的上表面与第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14的上表面位于于同一水平面。
质量块5和第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14的作用是：①在确定了质量块5以及第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14的形状和尺寸以后，即确定了所述MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的谐振频率和响应频带；②质量块5支撑线圈4，当有外界振动信号时，质量块5振动带动线圈4进行同频率的振动，线圈4进行切割磁感线运动。
第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14和质量块5的上表面上有绝缘层15；绝缘层15的上表面有下电极层9；下电极层9通过引线与边框1上焊盘连接。下电极层9的上表面上有PZT压电材料层10；PZT压电材料层10的上表面上有第一上电极层7和第二上电极层8，第一上电极层7和第二上电极层8之间有一定间隙。
PZT压电材料层10上有焊盘。
第二上电极层8上有焊盘。
第一上电极层7通过引线与PZT压电材料层10上的焊盘连接连接。
第二上电极层8通过引线与其自身上的焊盘连接。
PZT压电材料层10的作用是：当质量块5振动时，引起第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14和PZT压电材料层10弯曲变形，导致PZT压电材料层10中产生应力、应变，进而在PZT压电材料层10的上表面和下表面产生电荷。
线圈4固定于质量块5上表面的绝缘层15上，其作用是当线圈4切割磁感线运动时，在线圈4中产生感应电动势，输出能量。线圈4为平面线圈。
磁铁3位于线圈4的上方，粘附于盖板2的下表面，磁铁3和线圈4不接触，磁铁3的作用是提供磁场；磁铁3为钕铁硼。
第一上电极层7和第二上电极层8的作用是收集PZT压电材料层10上表面产生的电荷。
下电极层9的作用是收集PZT压电材料层10下表面产生的电荷。
MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的作用是：①当有外界振动作用时，通过质量块5产生惯性力作用到第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13和第四结构梁14上，使第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14及PZT压电材料层10发生弯曲变形，根据压电效应，在PZT压电材料层10上、下表面产生电荷，实现俘能作用；②在外界振动作用下，质量块5发生振动，带到质量块5上表面的线圈4进行同频率的振动，在磁铁3的作用下，根据电磁感应定律，在线圈4中产生电动势，实现俘能作用。
在制备基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器的过程中，通过优化确定每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中的质量块5的形状和尺寸以及第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14的形状和尺寸，可以使每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11分别具有不同的谐振频率，并且每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的频响之间有交集，将多个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11组合后，即可实现宽频带俘能效果。
当所述的基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器工作在设计的较宽频率范围内时，不同频率的振动总能激发一个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11工作，达到振动俘能的效果，当工作频率等于MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的谐振频率时质量块5发生共振，俘能效果最佳。
当外界振动引起质量块5振动时，根据压电效应和电磁感应定律，第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13和第四结构梁14上的PZT压电材料层10和质量块5上表面的线圈4同时输出电流、电压，并且PZT压电材料层10能输出较大的电压，而线圈4则能产生较大的电流，即通过同一MEMS压电-电磁复合式俘能单元11可同时输出高电压和高电流，实现压电-电磁复合式俘能作用。当PZT压电材料层10的压电系数越大、厚度越厚、第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14的弯曲变形越大时，输出的电压越大；当线圈4的匝数越多、电阻越小、磁铁3的剩余磁感应强度越强、线圈4与磁铁3的间距越小时，输出的电流越大。同时，当负载电阻和MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的内阻相等时，MEMS压电-电磁复合式俘能单元11输出的功率最大。
所述基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器的制备工艺过程具体为：
步骤0：根据应用需要的频带范围350Hz到500Hz，设计MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的工作频带为350Hz到500Hz，以及MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的数量为5；确定每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中质量块5和第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14的位置、形状和尺度；根据应用需要的电压、电流，设计MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中PZT压电材料层10的厚度，线圈4的厚度、线宽及线间距；同时设计边框1的尺寸。
具体为：第一个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中质量块5为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：260μm），第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14均为长方体（长：2mm；宽：300μm；厚：8μm）；根据应用需要的最大电压是1V、最大电流是90μA，设计第一个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中PZT压电材料层10的厚度为2μm，线圈4的厚度为5μm；线宽为10μm；线间距为10μm，线圈4的材料为铜。第一个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的谐振频率为367Hz，最大输出电压可达1.62V，最大输出电流为92μA。
第二个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中质量块5为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：260μm），第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14均为长方体（长：2mm；宽：350μm；厚：8μm）；根据应用需要的最大电压是1V、最大电流是90μA，设计第二个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中PZT压电材料层10的厚度为2μm，线圈4的厚度为5μm；线宽为10μm；线间距为10μm，线圈4的材料为铜。第二个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的谐振频率为420Hz，最大输出电压可达1.48V，最大输出电流为119μA。
第三个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中质量块5为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：260μm），第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14均为长方体（长：2mm；宽：400μm；厚：8μm）；根据应用需要的最大电压是1V、最大电流是90μA，设计第三个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中PZT压电材料层10的厚度为2μm，线圈4的厚度为5μm；线宽为10μm；线间距为10μm，线圈4的材料为铜。第三个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的谐振频率为396Hz，最大输出电压可达1.39V，最大输出电流为100μA。
第四个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中质量块5为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：260μm），第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14均为长方体（长：2mm；宽：450μm；厚：8μm）；根据应用需要的最大电压是1V、最大电流是90μA，设计第四个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中PZT压电材料层10的厚度为2μm，线圈4的厚度为5μm；线宽为10μm；线间距为10μm，线圈4的材料为铜。第四个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的谐振频率为452Hz，最大输出电压可达1.23V，最大输出电流为113μA。
第五个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中质量块5为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：260μm），第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14均为长方体（长：2mm；宽：500μm；厚：8μm）；根据应用需要的最大电压是1V、最大电流是90μA，设计第五个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中PZT压电材料层10的厚度为2μm，线圈4的厚度为5μm；线宽为10μm；线间距为10μm，线圈4的材料为铜。第五个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的谐振频率为480Hz，最大输出电压可达1.09V，最大输出电流为120μA。
步骤1：在步骤0操作的基础上，设计、制备掩膜版，具体为：在一块完整的硅片上确定出边框1的位置、5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的位置以及每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11中质量块5、第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13和第四结构梁14的位置；然后对硅片进行抛光，并对抛光的硅片表面通过氧化形成二氧化硅层；
步骤2：在经过步骤1处理后得到的硅片的上表面上通过溅射工艺依次制备绝缘层15和下电极层9；
步骤3：在下电极层9的上表面通过溶胶-凝胶法制备PZT压电材料层10；
步骤4：对PZT压电材料层进行图形化处理，保留步骤1所设计的5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14上的PZT压电材料层10，将硅片上其余部分的PZT压电材料层10去除掉，并在保留下来的PZT压电材料层10上加工焊盘。
步骤5：在步骤4操作的基础上，保留PZT压电材料层10下面的下电极层9，去除掉硅片上其余部分的下电极层9；
步骤6：在步骤5操作的基础上，保留5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14和质量块5上面的绝缘层15，去除掉硅片上其余部分的绝缘层15；
步骤7：通过溅射工艺，在每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的每根结构梁的PZT压电材料层10的上表面分别制备第一上电极层7和第二上电极层8；在第二上电极层8上加工焊盘。
步骤8：在5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的质量块5上的绝缘层15的上表面，利用电镀工艺分别制备一个线圈4；
步骤9：保留硅片上的边框1、5个MEMS压电-电磁复合式俘能单元11的第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14和质量块5的部分，去除掉硅片的其它部分，并在边框1上加工焊盘。
步骤10：把经过步骤9处理后得到的结构固定于管壳20内，并使质量块5与管壳20的底面不接触；
步骤11：将N块磁铁3粘附于盖板2的下表面，且位于N个线圈4的正上方的位置，磁铁3和线圈4不接触；
步骤12：将盖板2固定于管壳20的上方，并使盖板2的下表面粘附的5块磁铁3分别处于5个线圈4的正上方，至此得到所述基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器。

Claims (8)

1.一种基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，其特征在于：其包括：边框(1)、2个以上的MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)、管壳(20)和盖板(2)；
所述盖板(2)盖在管壳(20)的上面，边框(1)固定于管壳(20)的内部，所述2个以上的MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)固定于边框(1)内，并且MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)与管壳(20)的底面不接触；管壳(20)和盖板(2)的作用是封装边框(1)及全部MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)，对边框(1)及MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)起保护作用；
所述边框(1)为长方形或正方形边框，其作用是：①固定并支撑全部MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)；②布置引线及焊盘；所述焊盘的作用是实现与外接负载的电气连接；
所述2个以上的MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)位于同一平面并且等间距排布于边框(1)的内部；
所述MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)包括：磁铁(3)、线圈(4)、质量块(5)、第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)、第一上电极层(7)、第二上电极层(8)、下电极层(9)、PZT压电材料层(10)、绝缘层(15)；
所述质量块(5)为正方体或长方体；
所述第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)以质量块(5)为中心，对称分布在质量块(5)的两侧，质量块(5)每侧的两根结构梁平行排布，并且每根结构梁的一端与边框(1)固定连接，另一端与质量块(5)固定连接；第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)的形状和尺寸相同；质量块(5)的上表面与第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)的上表面位于同一水平面；
所述质量块(5)和第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)的作用是：①在确定了质量块(5)以及第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)的形状和尺寸以后，即确定了所述MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的谐振频率和响应频带；② 质量块(5)支撑线圈(4)，当有外界振动信号时，质量块(5)振动带动线圈(4)进行同频率的振动，线圈(4)进行切割磁感线运动；
所述第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)和质量块(5)的上表面上有绝缘层(15)；第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)和第四结构梁(14)上的绝缘层(15)的上表面有下电极层(9)；下电极层(9)通过引线与边框(1)上焊盘连接；下电极层(9)的上表面上有PZT压电材料层(10)；PZT压电材料层(10)的上表面上有第一上电极层(7)和第二上电极层(8)，第一上电极层(7)和第二上电极层(8)之间有一定间隙；
所述PZT压电材料层(10)的作用是：当质量块(5)振动时，引起第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)和PZT压电材料层(10)弯曲变形，导致PZT压电材料层(10)中产生应力、应变，进而在PZT压电材料层(10)的上表面和下表面产生电荷；
所述线圈(4)固定于质量块(5)上表面的绝缘层(15)上，其作用是当线圈(4)切割磁感线运动时，在线圈(4)中产生感应电动势，输出能量；
所述磁铁(3)位于线圈(4)的上方，粘附于盖板(2)的下表面，磁铁(3)和线圈(4)不接触，磁铁(3)的作用是提供磁场；
所述第一上电极层(7)和第二上电极层(8)的作用是收集PZT压电材料层(10)上表面产生的电荷；
所述下电极层(9)的作用是收集PZT压电材料层(10)下表面产生的电荷；
所述MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的作用是：①当有外界振动作用时，通过质量块(5)产生惯性力作用到第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)和第四结构梁(14)上，使第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)及PZT压电材料层(10)发生弯曲变形，根据压电效应，在PZT压电材料层(10)上、下表面产生电荷，实现俘能作用；②在外界振动作用下，质量块(5)发生振动，带到质量块(5)上表面的线圈(4)进行同频率的振动，在磁铁(3)的作用下，根据电磁感应定律，在线圈(4)中产生电动势，实现俘能作用；
在制备基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器的过程中，通过优化确定每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)中的质量块(5)、第一结构梁 (6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)和第四结构梁(14)的形状和尺寸，使每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)分别具有不同的谐振频率，并且每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的频响之间有交集，将多个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)组合后，即可实现宽频带俘能效果；
当所述的基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器工作在设计的较宽频率范围内时，不同频率的振动总能激发一个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)工作，达到振动俘能的效果，当工作频率等于MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的谐振频率时质量块(5)发生共振，俘能效果最佳；
当外界振动引起质量块(5)振动时，根据压电效应和电磁感应定律，第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)和第四结构梁(14)上的PZT压电材料层(10)和质量块(5)上表面的线圈(4)同时输出电流、电压，并且PZT压电材料层(10)能输出较大的电压，而线圈(4)则能产生较大的电流，即通过同一MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)可同时输出高电压和高电流，实现压电-电磁复合式俘能作用；当PZT压电材料层(10)的压电系数越大、厚度越厚、第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)的弯曲变形越大时，输出的电压越大；当线圈(4)的匝数越多、电阻越小、磁铁(3)的剩余磁感应强度越强、线圈(4)与磁铁(3)的间距越小时，输出的电流越大；同时，当负载电阻和MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的内阻相等时，MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)输出的功率最大。
2.如权利要求1所述的一种基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，其特征在于：所述2个以上的MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)可以单独工作，也可以将部分或全部的MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)串联或并联后一起工作；当单个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)能够满足频带需要时，MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)可单独工作；当需要提供高输出电压时，将部分或全部的MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)做串联连接；当需要提供高输出电流时，将部分或全部的MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)做并联连接。
3.如权利要求1或2所述的一种基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，其特征在于：线圈(4)为平面线圈。
4.如权利要求1或2所述的任一一种基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，其特征在于：所述PZT压电材料层(10)上有焊盘。
5.如权利要求1或2所述的任一一种基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，其特征在于：所述第二上电极层(8)上有焊盘。
6.如权利要求1或2之一所述的任一一种基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，其特征在于：所述第一上电极层(7)通过引线与PZT压电材料层(10)上的焊盘连接或与边框(1)上的焊盘连接。
7.如权利要求1或2所述的任一一种基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，其特征在于：所述第二上电极层(8)通过引线与其自身上的焊盘或边框(1)上的焊盘连接。
8.如权利要求1或2所述的任一一种基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器，其特征在于：所述基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器的制备工艺过程具体为：
步骤0：根据应用需要的频带范围，设计MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的工作频带，以及MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的数量N，N≥2；并确定每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)中质量块(5)和第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)的位置、形状和尺度；根据应用需要的电压、电流，设计MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)中PZT压电材料层(10)的厚度，线圈(4)的厚度、线宽及线间距；同时设计边框(1)的尺寸；
步骤1：在步骤0操作的基础上，设计、制备掩膜版，具体为：在一块完整的硅片上确定出边框(1)的位置、N个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的位置以及每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)中质量块(5)、第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)和第四结构梁(14)的位置；然后对硅片进行抛光，并对抛光的硅片表面通过氧化形成二氧化硅层；
步骤2：在经过步骤1处理后得到的硅片的上表面上通过溅射工艺依次制备绝缘层(15)和下电极层(9)；
步骤3：在下电极层(9)的上表面通过溶胶-凝胶法制备PZT压电材料层(10)；
步骤4：对PZT压电材料层进行图形化处理，保留步骤1所设计的N个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、 第三结构梁(13)、第四结构梁(14)上的PZT压电材料层(10)，将硅片上其余部分的PZT压电材料层(10)去除掉，并在保留下来的PZT压电材料层(10)上加工焊盘；
步骤5：在步骤4操作的基础上，保留PZT压电材料层(10)下面的下电极层(9)，去除掉硅片上其余部分的下电极层(9)；
步骤6：在步骤5操作的基础上，保留N个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)和质量块(5)上面的绝缘层(15)，去除掉硅片上其余部分的绝缘层(15)；
步骤7：通过溅射工艺，在每个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的每根结构梁的PZT压电材料层(10)的上表面分别制备第一上电极层(7)和第二上电极层(8)；在第二上电极层(8)上加工焊盘；
步骤8：在N个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的质量块(5)上的绝缘层(15)的上表面，利用电镀工艺分别制备一个线圈(4)；
步骤9：保留硅片上的边框(1)、N个MEMS压电-电磁复合式俘能单元(11)的第一结构梁(6)、第二结构梁(12)、第三结构梁(13)、第四结构梁(14)和质量块(5)的部分，去除掉硅片的其它部分，并在边框(1)上加工焊盘；
步骤10：把经过步骤9处理后得到的结构固定于管壳(20)内，并使质量块(5)与管壳(20)的底面不接触；
步骤11：将N块磁铁(3)粘附于盖板(2)的下表面，且位于N个线圈(4)的正上方的位置，磁铁(3)和线圈(4)不接触；
步骤12：将盖板(2)固定于管壳(20)的上方，并使盖板(2)的下表面粘附的N块磁铁(3)分别处于N个线圈(4)的正上方，至此得到所述基于MEMS技术的压电-电磁复合式宽频俘能器。
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