CN105141177A - 一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器，包括上盖板，上微平面线圈，振动感测敏感芯片，惯性质量块，阵列悬臂梁，压电薄膜，隔热共振增强框架，下盖板，下微平面线圈，磁屏蔽底座，磁屏蔽外壳，上盖板、下盖板将振动感测敏感芯片夹在其中，且上盖板、下盖板的一面上刻蚀有结构活动浅槽；上微平面线圈和下微平面线圈分别是位于上盖板和下盖板的浅槽中心的平面微小线圈；本发明是一种高效、宽频微型振动能量收集器，对于目前特殊工作环境下所需求的无源无线物联网微传感器网络的建设具有极其重要的积极意义。

Description

一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器

技术领域

本发明属于新能源与微电子交叉领域，涉及一种压电—电磁振动能量收集器，特别是用于给特殊环境中工作的MEMS传感器供能的一种高效、宽频微型化环境振动能量收集器。

背景技术

振动能量收集器是指采集或者收集环境中的振动形式的能量，如振动、噪声、冲击等。而随着集成电路技术以及MEMS/NEMS技术的不断发展，新型微传感器模块越来越小，功耗越来越低，应用也越来越广。虽然目前的化学电池能够对微传感器模块进行长达10年的持续供能，但是，对于一些高温高湿、危险及人类无法触及的特殊工作环境下，如火山口火山活动监测传感器、人体心脏健康监测传感器、建筑地基及墙体状态监测传感器等，对振动能量收集并加以利用以实现自供能似乎是其能源问题的唯一解决办法。

利用压电晶体的正压电效应将机械能转化为电能，具有结构、制作工艺简单，现在已经广泛应用于各种发电装置中。而通过磁铁-线圈相互作用引起的电磁感应发电原理也由于理论体系完善，结构、制造工艺简单，易于IC工艺兼容，对于传感器模块的微型化集成提供的利好条件，亦被广泛的应用于振动发电装置中。然而，从现在已经有的专利和论文以及产品中，我们并没有找到将两者结合的高效环境振动能量收集器。

另一方面，由于一般环境振动能量都非常微弱，普通的压电及电磁发电装置无法对这种微弱能量进行收集。同时，人体心脏健康监测传感器、建筑地基及墙体状态监测传感器的应用场所限制，现有发电装置更是无法适用这些传感器的持续供能。

此外，环境温度变化对于压电薄膜、强磁性薄膜的性能具有不利影响。现有的许多设计并没有考虑到这点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压电—电磁复合式的新型结构微型振动能量收集器，其具有振动能量转化效率高、工作频带宽、整体尺寸微小等特点，以用于火山口处、建筑墙体内部等特殊环境中测振、测力无线无源物联网微传感器网路节点的供能续航。

本发明的技术方案是：

一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器，包括上盖板，上微平面线圈，振动感测敏感芯片，惯性质量块，阵列悬臂梁，压电薄膜，隔热共振增强框架，下盖板，下微平面线圈，磁屏蔽底座，磁屏蔽外壳，上盖板、下盖板将振动感测敏感芯片夹在其中，且上盖板、下盖板的一面上刻蚀有结构活动浅槽；上微平面线圈和下微平面线圈分别是位于上盖板和下盖板的浅槽中心的平面微小线圈；振动感测敏感芯片上每根悬臂梁自由端的末端下平面处都制作有惯性质量块；振动感测敏感芯片上所有活动的结构，包括阵列悬臂梁、惯性质量块以及隔热共振增强框架上均制作有强磁性薄膜；阵列悬臂梁的所有梁根部上表面上制作了压电薄膜；振动感测敏感芯片上用隔热共振增强框架将悬臂梁、惯性质量块结构包围；磁屏蔽底座呈方形，中间制作有固定微型振动能量收集器的浅槽；磁屏蔽外壳为长方体结构，中间掏空。

阵列悬臂梁中沿矩形两条平行边有两排长度悬臂梁，设最长的梁长度为1，则第一排按照1:0.9:0.8:0.7:0.6:0.5:0.4:0.3:0.2:0.1的长度顺序布置梁，第二排梁长度则对称互补地按照1:0.9:0.8:0.7:0.6:0.5:0.4:0.3:0.2:0.1的长度布置梁。

所述隔热共振增强框架是由一个厚度较振动感测敏感芯片最大厚度少5～10μm，宽度为50～10μm，长度为50～80μm的大刚度悬臂梁支撑的框架结构；而且，隔热共振增强框架将整个悬臂梁—质量块阵列联接成一个整体。

上平面线圈、下平面线圈为整体式纳米线宽或微米线宽，或多个纳米线宽、微米线宽线圈的组合；所述上平面线圈、下平面线圈材料为金、银、铜或铝；且线圈的形状为矩形、圆形或折线缠绕形；其平面线圈层数为一、二或者三层。

所述惯性质量块材料为铜、镍、硅、金或者其多个的组合；

所述上盖板、下盖板材料为康宁7740玻璃或德国肖特BF33阳极键合用玻璃；

所述压电薄膜的材料为氧化锌ZnO、锆钛酸铅压电陶瓷PZT、铌酸锂LINbOs，厚度为1～10μm，宽度为小于阵列悬臂梁(5)宽度30～40μm，长度30～50μm；所述压电薄膜分布在悬臂梁的根部以及悬臂端惯性质量块与梁相接处。

所述磁屏蔽底座，磁屏蔽外壳材料为45钢、坡莫合金或铁铝合金。

作为优选，本发明的总体尺寸为3*3*1.2mm³，比以往的文章专利报道的振动能量收集器的尺寸都要小很多。

本发明的有益效果是：本发明提出一种高效、宽频微型振动能量收集器，对于目前特殊工作环境下所需求的无源无线物联网微传感器网络的建设具有极其重要的积极意义。

下面就附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

附图说明：

图1微型振动能量收集器局部剖视装配图。

图2上盖板图，下盖板结构图。

图3振动感测芯片图。

图例说明：

1.上盖板；2.上平面线圈；3.振动感测芯片；4.惯性质量块；5.阵列弹性梁；6.压电薄膜；7.隔热共振增强框架；8.下盖板；9.下平面线圈；10.磁屏蔽底座；11.磁屏蔽外壳。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明作进一步的说明：

一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器，包括上盖板1，上微平面线圈2，振动感测敏感芯片3，惯性质量块4，阵列悬臂梁5，压电薄膜6，隔热共振增强框架7，下盖板8，下微平面线圈9，磁屏蔽底座10，磁屏蔽外壳11

隔热共振增强框架7在振动感测芯片内，而悬臂梁—质量块阵列4、5又在隔热共振增强框架7内。每一根悬臂梁受振动时应力最大处，即悬臂梁的固定端和悬臂端两端都布置有压电薄膜，并且制作引线将其串联。在整个可动的结构，包括隔热共振增强框架7以及这个结构中间的悬臂梁—质量块阵列4、5的上、下面两面上制作强磁性膜。而上盖板1、下盖板8上分别制作有微型平面线圈2和10。上、下盖板1、8以及振动感测芯片3通过键合工艺制作为一个整体。

本例中，每个悬臂梁—质量块系统的尺寸参数除了梁的长度不一样，其余尺寸包括：梁的宽度，厚度，惯性质量块4的参数都一样，以方便MEMS/NEMS工艺统一加工。

本发明应用过程说明：

当外界环境中的振动频率等于或者接近某一个悬臂梁—惯性质量块系统的固有频率时，该悬臂梁—惯性质量块系统开始发生谐振，而其产生的大的振幅将逐渐引起周围乃至整个隔热共振增强框架7的上下剧烈振动。由于该振动能量收集器中悬臂梁—质量块阵列中虽然各个悬臂梁—质量块系统的质量块尺寸大小一样，但是梁长不一，因而每个悬臂梁—质量块系统具有不同固有频率，从而实现了振动能量收集器的宽频率自适应发电。

当隔热共振增强框架7开始上下剧烈振动时，每个悬臂梁的根部都将由正压电效应而产生一定的电压输出。而上下振动的隔热共振增强框架7等因为其上下面有强磁性膜，将使上、下平面线圈2、10中的磁感线发生变化，等效于切割了磁感线，进而上、下平面线圈2、10中也将产生感应电动势。通过将后续的处理电路将压电—电磁产生的电能进行一定处理，可以为MEMS/NEMS微型传感器模块供能，或是对电池进行充电。这样，便实现了高效率的能量转换。

此外，当环境温度变化较大的时候，因为隔热共振增强框架7只由一根悬臂梁与固定框架相连，这样便起到了温度隔离的作用，使得敏感芯片上的强磁膜以及压电薄膜受环境温度的影响大大降低。

Claims (8)

1.一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器，包括上盖板(1)，上微平面线圈(2)，振动感测敏感芯片(3)，惯性质量块(4)，阵列悬臂梁(5)，压电薄膜(6)，隔热共振增强框架(7)，下盖板(8)，下微平面线圈(9)，磁屏蔽底座(10)，磁屏蔽外壳(11)，其特征在于：上盖板(1)、下盖板(8)将振动感测敏感芯片(3)夹在其中，且上盖板(1)、下盖板(8)的一面上刻蚀有结构活动浅槽；上微平面线圈(2)和下微平面线圈(9)分别是位于上盖板(1)和下盖板(8)的浅槽中心的平面微小线圈；振动感测敏感芯片(3)上每根悬臂梁自由端的末端下平面处都制作有惯性质量块(4)；振动感测敏感芯片(3)上所有活动的结构，包括阵列悬臂梁(5)、惯性质量块(4)以及隔热共振增强框架(7)上均制作有强磁性薄膜；阵列悬臂梁(5)的所有梁根部上表面上制作了压电薄膜(6)；振动感测敏感芯片(3)上用隔热共振增强框架(7)将悬臂梁、惯性质量块等结构包围；磁屏蔽底座(10)呈方形，中间制作有固定微型振动能量收集器的浅槽；磁屏蔽外壳(11)为长方体结构，中间掏空。

2.根据权利要求1所述的一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器，其特征在于，阵列悬臂梁(5)中沿矩形两条平行边有两排长度悬臂梁，设最长的梁长度为1，则第一排按照1:0.9:0.8:0.7:0.6:0.5:0.4:0.3:0.2:0.1的长度顺序布置梁，第二排梁长度则对称互补地按照1:0.9:0.8:0.7:0.6:0.5:0.4:0.3:0.2:0.1的长度布置梁。

3.根据权利要求1所述的一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器，其特征在于，所述隔热共振增强框架(7)是由一个厚度较振动感测敏感芯片(3)最大厚度少5～10μm，宽度为50～10μm，长度为50～80μm的大刚度悬臂梁支撑的框架结构；而且，隔热共振增强框架(7)将整个悬臂梁—质量块阵列联接成一个整体。

4.根据权利要求1所述的一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器，其特征在于，上平面线圈(2)、下平面线圈(9)为整体式纳米线宽或微米线宽，或多个纳米线宽、微米线宽线圈的组合；所述上平面线圈(2)、下平面线圈(9)材料为金、银、铜或铝；且线圈的形状为矩形、圆形或折线缠绕形；其平面线圈层数为一、二或者三层。

5.根据权利要求1所述的一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器，其特征在于，所述惯性质量块(4)材料为铜、镍、硅、金或者其多个的组合。

6.根据权利要求1所述的一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器，其特征在于，所述上盖板(1)、下盖板(8)材料为康宁7740玻璃或德国肖特BF33阳极键合用玻璃。

7.根据权利要求1所述的一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器，其特征在于，所述压电薄膜(6)的材料为氧化锌ZnO、锆钛酸铅压电陶瓷PZT、铌酸锂LINbOs，厚度为1～10μm，宽度为小于阵列悬臂梁(5)宽度30～40μm，长度30～50μm；所述压电薄膜(6)分布在悬臂梁的根部以及悬臂端惯性质量块(5)与梁相接处。

8.根据权利要求1所述的一种压电-电磁复合微型环境振动能量收集器，其特征在于，所述磁屏蔽底座(10)，磁屏蔽外壳(11)材料为45钢、坡莫合金或铁铝合金。