CN104821745A - 基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器及其制作工艺，属于可再生资源技术领域。该能量收集器包括：玻璃上盖、玻璃下盖、以及能量转换单元；玻璃上盖和玻璃下盖上下组合形成亥姆霍兹谐振腔，能量转换单元安装在亥姆霍兹谐振腔内；所述玻璃上盖和玻璃下盖的两端开有开口；能量转换单元包括压电悬臂梁、质量块、压电材料以及上下电极；收集器工作时，在亥姆霍兹谐振腔内部形成涡流谐振，使谐振腔内的质量快带动悬臂梁发生形变，在压电效应作用下，产生电势差，从而将其他形式的能量转换成电能。该能量收集器具有频率低、频带宽等特点，可广泛用于与无线传感网络节点、便携式电子产品及微型电子装置等，实现环境振动能向电能的高效转化。

Description

基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器及其制作工艺

技术领域

本发明属于可再生资源技术领域，涉及一种基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器及其制作工艺。

背景技术

压电振动能量收集器是利用材料的压电效应将环境中大量存在的振动能转换为电能的器件，与当前的MEMS技术结合，使其不仅具有体积小、寿命长、易集成且与IC工艺兼容等优点，在重量、寿命、能量密度、补给速度、可靠性、成本等方面均具有显著优势，成为目前解决微型电子装置供能问题的有效途径，也是当今国际微能源领域研究的热点之一。

我国疆域宽广,海域辽阔，电子封疆成为保卫祖国每一寸土地及海域的有效手段之一，能源供给则是实现电子封疆的关键一环，基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器为电子封疆的微型电子装置的能源供给提供一种全新的思路，其结合了MEMS微流控以及压电微带，可将风能或水的动能转换为电能，从而为微型电子装置供电。

常规MEMS压电振动能量收集器取决于振动式压电悬臂或微型驻极体，只能在很窄的频段或特定频段内有效工作，这种限制使得大多数的实际环境中都得放弃这些概念。因此，针对自然环境中的1～100Hz范围间的低频振动，如水的动能等，开展基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器的研究具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器及其制作工艺，可以在低频振动环境下高效获取环境振动能，如水的动能、风能等，并将其转换为电能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器，该能量收集器主要包括：玻璃上盖、玻璃下盖、以及能量转换单元；

玻璃上盖和玻璃下盖上下组合形成亥姆霍兹谐振腔，能量转换单元安装在亥姆霍兹谐振腔内；所述玻璃上盖和玻璃下盖的两端开有开口，一端为进风口，另一端为出风口；

所述能量转换单元包括压电悬臂梁、质量块、压电材料以及上下电极；收集器工作时，在亥姆霍兹谐振腔内部形成涡流谐振，使谐振腔内的质量快带动悬臂梁发生形变，在压电效应作用下，产生电势差，从而将其他形式的能量转换成电能。

进一步，可以根据不同的环境情况，对亥姆霍兹谐振腔的开口尺寸进行设定，只要能满足其起振条件，即可实现在低频条件下实现能量的转换。

进一步，所述压电材料可采用与集成电路兼容的氮化铝压电薄膜材料或者其他压电薄膜材料。

本发明还提供了一种基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器制作工艺，具体包括以下步骤：

1)采用总厚度为500um的SOI基片作为基底材料，顶层Si层(功能层)厚度为50-70um，底层Si层(结构层)厚度为450um，夹层氧化层厚度为1um；

2)双面热氧化生长300nm厚的SiO₂层；

3)背面涂胶保护，正面光刻1，剥离工艺制备下电极层Ti/Pt；

4)生长压电材料AlN层，其厚度约为1200-1500nm，光刻2并图形化；

5)生长电极Al层，其厚度约为1000-1200nm，光刻3并图形化；

6)光刻4，腐蚀上层SiO₂层；

7)背面去胶后溅射Al，光刻5，图形化Al，腐蚀下层SiO₂；

8)ICP刻蚀功能层Si，RIE正面去胶，RIE去除上层SiO₂层；

9)ICP刻蚀结构层Si；

10)上盖板图形化后与功能层Si进行键合；

11)ICP刻蚀结构层Si，形成质量块图形；

12)去除背面Al，ICP刻蚀结构层Si至夹层SiO₂；

13)RIE去除夹层SiO2，下盖板图形化与结构层Si键合。

本发明的有益效果在于：1)本发明提供的能量收集器，通过将低频输入振动能量转换成加压的流体，使其同步随机输入振动成为预定义的谐振频率，从而得以充份利用来自完整低频频谱的振动；2)具有频率低、频带宽等特点，可广泛用于与无线传感网络节点、便携式电子产品及微型电子装置等，实现环境振动能向电能的高效转化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明能量收集器的装配图；

图2为本发明能量收集器的三视图；

图3为本发明能量收集器的爆炸图；

图4为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提出的基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器，主要是利用输入与输出腔连接到特定几何尺寸的微通道，以实现亥姆霍兹(Helmholtz)压力谐振效果。通过耦合Helmholtz谐振以及所谓的涡旋洩离，进一步增强了压力振动，因此可实现低频条件下，具有较宽的频带宽度。

图1至3为本发明能量收集器的结构示意图，如图所示，该能量收集器主要包括：玻璃上盖、玻璃下盖、以及能量转换单元；玻璃上盖和玻璃下盖上下组合形成亥姆霍兹谐振腔，能量转换单元安装在亥姆霍兹谐振腔内；所述玻璃上盖和玻璃下盖的两端开有开口，一端为进风口，另一端为出风口；

所述能量转换单元包括压电悬臂梁、质量块、压电材料以及上下电极；收集器工作时，在亥姆霍兹谐振腔内部形成涡流谐振，使谐振腔内的质量快带动悬臂梁发生形变，在压电效应作用下，产生电势差，从而将其他形式的能量转换成电能。

在液相环境下，液体进入亥姆霍兹谐振腔，形成涡流谐振，使谐振腔内的质量快带动悬臂梁发生形变，在压电效应作用下，产生电势差，为微电子装置供电。同样原理，风经由亥姆霍兹谐振腔的进口，在腔室内形成涡流谐振，进而带动悬臂梁发生形变，实现风能向电能的转换。

该能量收集器可以根据不同的环境情况，对亥姆霍兹谐振腔的开口尺寸进行设计，只要能满足其起振条件，即可实现在低频条件下实现能量的转换。同时，该能量收集器可以根据不同的环境情况，对亥姆霍兹谐振腔的腔室大小进行设计和悬臂梁、质量快的尺寸进行优化，以保证其较宽的频带宽度。

该基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器的工作频率是由腔体与开口的实体尺寸所决定，因而不受输入流体的流速所影响，从而大幅简化后续相关电路的设计，同时也提高了能量储存效率。

图4为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，该工艺具体包括以下步骤：

(1)采用总厚度为500um的SOI基片作为基底材料，顶层Si层(功能层)厚度为50-70um，底层Si层(结构层)厚度为450um，夹层氧化层厚度约为1um，如图4(a)所示；

(2)双面热氧化生长300nm厚的SiO₂层，如图4(b)所示；

(3)正面光刻1，剥离工艺制备下电极层Ti/Pt，如图4(c)所示；

(4)生长压电材料AlN层，其厚度约为1200-1500nm，光刻2并图形化后如图4(d)所示；

(5)生长电极Al层，其厚度约为1000-1200nm，光刻3，图形化后如图4(e)所示；

(6)背面涂胶保护，光刻4，腐蚀上层SiO₂层，如图4(f)所示；

(7)背面去胶后溅射Al，光刻5，图形化Al，腐蚀下层SiO₂如图4(g)所示；

(8)ICP刻蚀功能层Si，RIE正面去胶，RIE去除上层SiO₂层，如图4(h)所示；

(9)ICP刻蚀结构层Si，如图4(i)所示；

(10)上盖板图形化后与功能层Si进行键合，如图4(j)所示；

(11)ICP刻蚀结构层Si，形成质量块图形，如图4(k)所示；

(12)去除背面Al，ICP刻蚀结构层Si至夹层SiO₂，如图4(l)所示；

(13)RIE去除夹层SiO2，下盖板图形化与结构层Si键合，如图4(m)所示。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器，其特征在于：该能量收集器主要包括：玻璃上盖、玻璃下盖、以及能量转换单元；

玻璃上盖和玻璃下盖上下组合形成亥姆霍兹谐振腔，能量转换单元安装在亥姆霍兹谐振腔内；所述玻璃上盖和玻璃下盖的两端开有开口，一端为进风口，另一端为出风口；

所述能量转换单元包括压电悬臂梁、质量块、压电材料以及上下电极；收集器工作时，在亥姆霍兹谐振腔内部形成涡流谐振，使谐振腔内的质量快带动悬臂梁发生形变，在压电效应作用下，产生电势差，从而将其他形式的能量转换成电能。

2.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器，其特征在于：可以根据不同的环境情况，对亥姆霍兹谐振腔的开口尺寸进行设定，只要能满足其起振条件，即可实现在低频条件下实现能量的转换。

3.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器，其特征在于：所述压电材料可采用与集成电路兼容的氮化铝压电薄膜材料或者其他压电薄膜材料。

4.一种基于亥姆霍兹效应的低频压电振动能量收集器制作工艺，其特征在于：包括以下步骤：

1)采用总厚度为500um的SOI基片作为基底材料，顶层Si层(功能层)厚度为50-70um，底层Si层(结构层)厚度为450um，夹层氧化层厚度为1um；

2)双面热氧化生长300nm厚的SiO₂层；

3)背面涂胶保护，正面光刻1，剥离工艺制备下电极层Ti/Pt；

4)生长压电材料AlN层，其厚度约为1200-1500nm，光刻2并图形化；

5)生长电极Al层，其厚度约为1000-1200nm，光刻3并图形化；

6)光刻4，腐蚀上层SiO₂层；

7)背面去胶后溅射Al，光刻5，图形化Al，腐蚀下层SiO₂；

8)ICP刻蚀功能层Si，RIE正面去胶，RIE去除上层SiO₂层；

9)ICP刻蚀结构层Si；

10)上盖板图形化后与功能层Si进行键合；

11)ICP刻蚀结构层Si，形成质量块图形；

12)去除背面Al，ICP刻蚀结构层Si至夹层SiO₂；

13)RIE去除夹层SiO2，下盖板图形化与结构层Si键合。