CN105743191A - 基于mems微加工平面线圈的无线充电装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置及其制备方法，包括基座底盒、基座顶盒、接收线圈和发射线圈，其中：发射线圈安装于基座底盒内并与基底底盒内的整流电路、检测电路、控制电路和驱动电路连接；接收线圈安装于基座顶盒内并与基座顶盒内的整流电路、变换器连接；接收线圈和发射线圈均为空心平面线圈，且接收线圈在发射线圈内部；发射线圈和接收线圈采用MEMS微加工技术制备；本发明采用内插式结构，能准确定位，有效提高无线充电效率，降低损耗，减少辐射区域，同时可以防水，抵抗外界机械碰撞，使充电更加安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS微加工技术的小功率无线充电装置，尤其涉及可固定定位的内置式无线充电装置及其制备方法。
背景技术
随着科技的迅速发展，推动了数码产品的突飞猛进，而且越来越多的电子设备向着小型化、便携式发展，像运动手环、电动牙刷等。这些产品内置大量的电子系统，并具有相关的供电装置。对于便携式产品来说，尽管采用了低功耗设计方式，但智能系统的功能越复杂，维持这些功能的基础耗电也越大；对于可穿戴智能电子产品来说，由于其本身体积小巧，电池供电一般只能维持几天或更短，如AppleWatch也就能维持18个小时。另外，大部分电子产品的充电器不具备统一性，每一个电子产品都有与之匹配的充电器，不仅浪费大量的资源，增加产品的使用成本，而且还不利于环保。有线充电绕线繁琐，且在高温、高压、潮湿等特殊环境下充电极不安全。因此，具有统一标准的无线充电技术越来越受到人们的关注。
非接触充电式的出现代替了传统的传导充电方法在适应性、安全性与自主充电方面的缺点和不足。但是该技术也有缺点，能量是通过线圈间的交变磁场进行传递，能量会随耦合线圈距离的变化而变化。目前的研究应用大多集中在电车充电、手机充电，充电装置比较笨重、体积大，不便于携带。
针对可穿戴设备无线充电，实用新型专利CN103633706A，公布一种无线充电式电子手环及其无线充电方法，所述电子手环采用无线充电技术设计，具有很好的水密特性，提高了充电环境的适应性。但这种充电方式只针对电子手环，不具有普适性。
发明内容
本发明针对上述无线充电技术存在的问题，提出一种基于MEMS微加工技术的小功率无线充电装置及其制备方法。本发明通过MEMS微加工工艺制备体积小的发射线圈及接收线圈，并设计一种耦合方式，实现可穿戴设备等小功率电子产品的无线充电，并提高充电效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
根据本发明的一个方面，提供一种基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置，所述装置包括发射模块与接收模块，其中：
所述的发射模块，包括基座底盒以及安装于基座底盒内部的发射线圈、第一整流电路、控制电路、检测电路和驱动电路；发射线圈与驱动电路、控制电路、检测电路和第一整流电路连接，第一整流电路与外部电源相连；
所述的接收模块，包括基座顶盒以及安装于基座顶盒内部的接收线圈、第二整流电路和变换器；接收线圈与第二整流电路、变换器连接，变换器与外部电子设备通过线路相连；
所述的发射线圈和接收线圈均采用MEMS微加工技术制备，且均为空心平面线圈；所述的发射线圈和接收线圈通过塑料封装成内插结构，封装好后的基座顶部的接收线圈能插入基座底部的发射线圈中，以实现发射线圈与接收线圈的完美定位。
优选地，所述的接收线圈置于发射线圈耦合中心，以提高无线充电效率、降低损耗、减少辐射区域。
优选地，所述的发射线圈和接收线圈分别有一面采用电镀工艺制备铁镍合金薄膜，发射线圈和接收线圈相对的一面无铁镍合金薄膜，从而构成三明治结构，铁镍合金薄膜做磁屏蔽作用。
更优选地，所述的铁镍合金薄膜为图形化的间断条状或矩形阵列结构，以在不影响屏蔽效果的前提下降低工作过程中磁薄膜造成的涡流损耗，提高充电效率。
优选地，所述的铁镍合金薄膜分别与发射线圈、接收线圈之间填充绝缘材料作为绝缘体，绝缘材料在充电过程中能有效解决散热问题，控制所述装置的发热情况，保证充电安全。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1)、用碳酸钙、酸、碱溶液，去除玻璃基片的表面油污，并采用超声清洗方式清洁玻璃基片表面；
步骤2)、在经过步骤1)处理的玻璃基片表面溅射Cr/Cu种子层，得到含种子层的玻璃基片；
步骤3)、在步骤2)的含有种子层的玻璃基片上甩光刻胶，烘干后光刻显影处理，使磁屏蔽层结构在光刻胶上图形化；
步骤4)、在经过步骤3)处理后的玻璃基片上电镀铁镍合金，得到高磁导率的磁屏蔽层；
步骤5)、将经过步骤4)处理的玻璃基片浸于NaOH溶液以去掉表面的光刻胶，然后用去铜液和去铬液清除光刻胶下的Cr/Cu种子层；
步骤6)、对经过步骤5)处理后的玻璃基片烘干处理，甩一层聚酰亚胺，经高温固化，得到磁屏蔽层与线圈间的绝缘介质；
步骤7)、在经过步骤6)处理后的玻璃基片表面溅射Cr/Cu种子层，并甩光刻胶，烘干处理；
步骤8)、在步骤7)的光刻胶表面用画好的发射线圈掩膜板光刻显影，得到图形化的发射线圈；
步骤9)、在步骤8)得到的图形化的玻璃基片上电镀Cu，得到发射线圈；
步骤10)、将步骤9)的玻璃基片进行同步骤5)的处理，去除线圈周围的光刻胶、种子层，使玻璃基片上的发射线圈电气不连接；
步骤11)、同步骤1)-步骤10)，制备接收线圈；
步骤12)、将步骤10)和步骤11)制备的线圈切开，得到完全独立的发射线圈和发射线圈；
步骤13)、将步骤12)得到的发射线圈与发射模块的整流电路、检测电路、控制电路和驱动电路相连，将接收线圈与接收模块的整流电路和变换器相连；
步骤14)、将步骤13)连好的电路分别集成在两块PCB板上，并进行独立封装。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
1、发射线圈和接收线圈采用MEMS微加工技术制备，而不是已有的绕线线圈，使得面积可大大缩小；采用MEMS微加工技术制备线圈，在小尺寸下实现多匝数线圈，提高初次级线圈间的耦合，提高无线传输效率。
2、发射线圈和接收线圈通过塑料封装制成内插结构，封装好后的基座顶部(接收线圈)可以插入基座底部(发射线圈)中，这样可以很好耦合，防止因发射线圈和接收线圈错位造成的能量损耗，提高了充电效率。
3、使用MEMS微加工技术中的电镀工艺制备磁屏蔽薄膜，工艺参数容易控制，增加薄膜材料的均匀性。
4、采用MEMS微加工技术制备初次级线圈，尺寸小，重量轻，可与IC完美集成，且总体尺寸较小，可集成在可穿戴电子产品体内或外部，同时不影响电子产品外观及其他功能。
5、发射模块和接收模块结合了MEMS微加工技术，利用MEMS微加工技术微型化、批量生产、成本低等特点，制备适用于小功率电子设备的无线充电装置，有望实现产业化应用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的发射线圈与接收线圈耦合结构的俯视图，
图2为本发明一实施例的制备工艺流程图；
图3为本发明一实施例的封装后的外观结构图；
图4为本发明一实施例的无线充电装置结构原理图；
图中：接收线圈1，发射线圈2，基座顶盒3，基座底盒4。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，无线传输效率受很多因素影响，就线圈部分，线圈形状、材料、匝数、相对位置等严重影响着传输效率。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1、图4所示，一种基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置，包括发射模块和接收模块，发射模块与接收模块用外封装隔开；其中：
发射模块包括基座底盒4以及安装于基座底盒4内部的发射线圈2、驱动电路、检测电路、控制电路和第一整流电路，发射线圈2与驱动电路、检测电路、控制电路和第一整流电路连接，第一整流电路与外界电源相连；
接收模块包括基座顶盒3以及安装于基座顶盒3内部的接收线圈1、第一整流电路和变换器，接收线圈1与第一整流电路、变换器连接，变换器与外部电子设备通过线路相连；
所述的发射线圈2和接收线圈1采用MEMS微加工技术制备，均为空心平面线圈；且接收线圈1置于发射线圈2耦合中心，这样可以提高无线充电效率，降低损耗，减少辐射区域；
所述的发射线圈2和接收线圈1通过塑料封装制成内插结构，以实现发射线圈2与接收线圈1的完美定位。
进一步的，所述的发射模块中：第一整流电路从外界电源接收电压信号并转换为合适的直流电，经控制电路再转化成相应的交流电发送到驱动电路，驱动电路将交流信号发送到发射线圈2；发射线圈2接收驱动电路发来的交流信号，交流电流过发射线圈2产生变化的磁场；检测电路检测充电时的电流，当检测到电流已充满即达到设定电压值，将电压信号发送到控制电路；控制电路接收检测电路发送的电压信号，通过继电器的通断将信号发送到驱动电路；
进一步的，所述的发射模块中：接收线圈1靠近发射线圈2后，在磁场的作用下产生交流电流，并发送到接收模块中的第二整流电路；第二整流电路接收到接收线圈1的交流信号，经过稳压转换成直流信号发送到变换器；变换器接收整流电路发送来的直流信号，并转换成匹配待充电电子设备的充电电流，发送到待充电电子设备。
在一实施例中，所述的发射线圈2和接收线圈1采用电磁感应原理，符合Qi标准，对频率要求不高，且适用于大部分可穿戴的小功率电子设备，如运动手环等。
在一实施例中，所述的发射线圈2和接收线圈1采用MEMS微加工技术制备，在一定面积下可制备较多匝数线圈，可批量生产，且体积小，重量轻，方便携带，符合可穿戴设备实现无线充电的需求。
在一实施例中，所述的发射线圈2和接收线圈1不相对的一面分别有一面高磁导率的铁镍合金薄膜，构成三明治结构，铁镍合金薄膜做磁屏蔽作用；铁镍合金薄膜采用MEMS微加工技术中的电镀工艺制备，工艺参数容易控制，均匀性好。
在一实施例中，所述的铁镍合金薄膜利用MEMS微加工技术的特点，可将薄膜图形化，设计成间断条状或矩形阵列结构，在不影响屏蔽效果的前提下可降低工作过程中磁薄膜造成的涡流损耗，提高充电效率。
在一实施例中，所述的铁镍合金薄膜分别与发射线圈2、接收线圈1之间填充有绝缘材料做绝缘体；所述绝缘材料在充电过程中能有效解决散热问题，控制所述装置的发热情况，保证充电安全。
上述结构的无线充电装置，其中发射线圈与接收线圈均采用MEMS微加工，以下具体给出无线充电装置的制备方法的实施例。
如图2所示，一种基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置的制备方法，包括：
第一步、将玻璃基板分别用碳酸钙、酸、碱溶液去除表面油污，并采用超声清洗方式清洁玻璃基片表面；
第二步、在经过第一步处理后的玻璃基片表面采用磁控溅射的方法溅射一层Cr/Cu种子层，得到含种子层的玻璃基片；
第三步、在经过第二步处理后的含有种子层的玻璃基片上，甩光刻胶10μm，烘干后光刻显影处理，使磁屏蔽层结构(属于发射线圈的一部分)在光刻胶上图形化；
第四步、在经过第三步处理后的图形化玻璃基片上，电镀铁镍合金薄膜10μm，电镀时要按时变化电镀夹位置，以保证电镀层的均匀性，得到高磁导率的磁屏蔽层；
第五步、将经过第四步电镀有铁镍合金薄膜的玻璃基片，浸于4％NaOH溶液，以去掉表面光刻胶，然后用双氧水：氨水：去离子水＝1:3:12比例配制的去铜液去除作为种子层的Cu，用铁氰化钾：氢氧化钠：去离子水＝3g:1g:100ml比例配制的去铬液去除Cr，并烘干备用；
第六步、在经过第五步烘干处理后的玻璃基片上，甩一层聚酰亚胺，经最高250度高温烘4小时且温度阶段性升高，保证完全固化，固化后厚度为20μm，对不平整的表面进行机械打磨，使表面平整；
第七步、在经过第七步打磨后的玻璃基片表面，溅射Cr/Cu种子层，并甩光刻胶，烘干处理；
第八步、在经过第七步处理的光刻胶表面，用画好的发射线圈掩膜板光刻显影，得到图形化的发射线圈结构；
第九步、在经过第八步处理的线圈图形化的玻璃基片上电镀Cu，得到发射线圈，其中：发射线圈掩膜板单个线圈的总尺寸1.5cm，中心尺寸1.3cm，线圈线径20μm，间距20μm，共50匝；
第十步、用第五步的方法，去除线圈周围的光刻胶、种子层，并切片，得到独立的发射线圈；
第十一步、重复第一步到第十步，制备接收线圈，其中：接收线圈的总尺寸1cm，中心尺寸0.5cm，线圈线径20μm，间距20μm，共125匝；
第十二步、将经过上述步骤制备的发射线圈与发射模块的整流电路、检测电路、控制电路和驱动电路相连，将接收线圈与接收模块的整流电路和变换器相连，连好的电路分别集成在两块PCB板上，并进行封装，得到如图3所示的无线充电装置。
本发明采用MEMS微加工技术制备线圈，在小尺寸下实现多匝数线圈，提高初次级线圈间的耦合，提高无线传输效率；使用电镀工艺制备磁屏蔽薄膜，增加薄膜材料的均匀性；采用MEMS微加工技术制备初次级线圈，尺寸小，重量轻，可与IC完美集成，且总体尺寸较小，可集成在可穿戴电子产品体内或外部，同时不形象电子产品外观及其他功能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置，所述装置包括发射模块与接收模块，其中：
所述的发射模块，包括基座底盒以及安装于基座底盒内部的发射线圈、第一整流电路、控制电路、检测电路和驱动电路；发射线圈与驱动电路、控制电路、检测电路和第一整流电路连接，第一整流电路与外部电源相连；
所述的接收模块，包括基座顶盒以及安装于基座顶盒内部的接收线圈、第二整流电路和变换器；接收线圈与第二整流电路、变换器连接，变换器与外部电子设备通过线路相连；
其特征在于：所述的发射线圈和接收线圈均采用MEMS微加工技术制备，且均为空心平面线圈；所述的发射线圈和接收线圈通过塑料封装成内插结构，封装好后的基座顶部的接收线圈能插入基座底部的发射线圈中，以实现发射线圈与接收线圈的定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置，其特征在于，所述的接收线圈置于发射线圈耦合中心，以提高无线充电效率、降低损耗、减少辐射区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置，其特征在于，所述的发射线圈和接收线圈分别有一面采用电镀工艺制备铁镍合金薄膜，发射线圈和接收线圈相对的一面无铁镍合金薄膜，从而构成三明治结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置，其特征在于，所述的铁镍合金薄膜为图形化的间断条状或矩形阵列结构。
5.根据权利要求3所述的一种基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置，其特征在于，所述的铁镍合金薄膜与发射线圈、接收线圈之间填充绝缘材料。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1)、清洁玻璃基片表面；
步骤2)、在经过步骤1)处理的玻璃基片表面溅射Cr/Cu种子层，得到含种子层的玻璃基片；
步骤3)、在步骤2)的含有种子层的玻璃基片上甩光刻胶，烘干后光刻显影处理，使磁屏蔽层结构在光刻胶上图形化；
步骤4)、在经过步骤3)处理后的玻璃基片上电镀铁镍合金，得到高磁导率的磁屏蔽层；
步骤5)、将经过步骤4)处理的玻璃基片浸于NaOH溶液以去掉表面的光刻胶，然后用去铜液和去铬液清除光刻胶下的Cr/Cu种子层；
步骤6)、对经过步骤5)处理后的玻璃基片烘干处理，甩一层聚酰亚胺，经固化，得到磁屏蔽层与线圈间的绝缘介质；
步骤7)、在经过步骤6)处理后的玻璃基片表面溅射Cr/Cu种子层，并甩光刻胶，烘干处理；
步骤8)、在步骤7)的光刻胶表面用画好的发射线圈掩膜板光刻显影，得到图形化的发射线圈；
步骤9)、在步骤8)得到的图形化的玻璃基片上电镀Cu，得到发射线圈；
步骤10)、将步骤9)的玻璃基片进行同步骤5)的处理，去除线圈周围的光刻胶、种子层，使玻璃基片上的发射线圈电气不连接；
步骤11)、同步骤1)-步骤10)，制备接收线圈；
步骤12)、将步骤10)和步骤11)制备的线圈切开，得到完全独立的发射线圈和发射线圈；
步骤13)、将步骤12)得到的发射线圈与发射模块的整流电路、检测电路、控制电路和驱动电路相连，将接收线圈与接收模块的整流电路和变换器相连；
步骤14)、将步骤13)连好的电路分别集成在两块PCB板上，并进行独立封装。
7.根据权利要求6所述的基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置的制备方法，其特征在于，步骤1)中：将玻璃基板分别用碳酸钙、酸、碱溶液去除表面油污，并采用超声清洗方式清洁玻璃基片表面。
8.根据权利要求6所述的基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置的制备方法，其特征在于，步骤4)中：电镀铁镍合金薄膜，电镀时要按时变化电镀夹位置，以保证电镀层的均匀性，得到高磁导率的磁屏蔽层。
9.根据权利要求6所述的基于MEMS微加工平面线圈的无线充电装置的制备方法，其特征在于，步骤6)中：所述固化是指经最高250度高温烘4小时且温度阶段性升高，保证完全固化。
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