CN106160564A - 振动式能量采集器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种振动式能量采集器，包括偏置电压生成装置、至少两个层叠设置的运动极板以及设置在两个运动极板之间且用于使得相邻两个运动极板在无外力作用下保持预设间距的隔离装置；每个运动极板均包括支撑构件、运动质量块和电极层；支撑构件设置在运动质量块的外围并对运动质量块进行支撑；电极层设置在每个运动极板上与相邻运动极板相对的表面上；偏置电压生成装置位于相邻两个运动极板之间且设置在其中一个的电极层表面；偏置电压生成装置用于在相邻两个运动极板之间形成固定电场。上述振动式能量采集器具有较宽的工作频率，从而使得器件在该频率范围内具有较高的能量采集效率。本发明还提供一种振动式能量采集器的制备方法。

Description

振动式能量采集器及其制备方法
技术领域
本发明涉及能量采集技术领域，特别是涉及一种振动式能量采集器及其制备方法。
背景技术
振动式能量采集器是能量采集器中的一种，它可以将自然界普遍存在的机械振动能量转换为电能，进而不间断地为各种低功耗电子元件或者微系统供电。传统的振动式能量采集器具有固定的共振频率。而在许多情况下，振动源通常工作在一个特殊的频率范围，或者工作在一个随机振动频率范围内。当振动源频率偏离振动式能量采集器的共振频率时，会导致能量采集效率降低。
发明内容
基于此，有必要提供一种工作频率较宽且能量采集效率较高的振动式能量采集器及其制备方法。
一种振动式能量采集器，包括偏置电压生成装置、至少两个层叠设置的运动极板以及设置在两个所述运动极板之间且用于使得相邻两个所述运动极板在无外力作用下保持预设间距的隔离装置；每个所述运动极板均包括支撑构件、运动质量块和电极层；所述支撑构件设置在所述运动质量块的外围并对所述运动质量块进行支撑；所述电极层设置在每个运动极板上与相邻运动极板相对的表面上；所述隔离装置设置在所述支撑构件上；所述偏置电压生成装置位于相邻两个所述运动极板之间且设置在其中一个的电极层表面；所述偏置电压生成装置用于在相邻两个所述运动极板之间形成固定电场。
在其中一个实施例中，所述支撑构件和所述运动质量块均由硅基材料制成。
在其中一个实施例中，所述偏置电压生成装置为驻极体；所述驻极体上存在电荷分布从而为相邻两个运动极板提供偏置电压。
在其中一个实施例中，所述支撑构件包括支撑主体和悬臂梁结构；所述支撑主体为中空结构，用于放置所述运动质量块；所述悬臂梁结构分布与所述支撑主体、所述运动质量块连接。
在其中一个实施例中，所述隔离装置为绝缘层。
在其中一个实施例中，所述电极层为金属层或硅基导电材料层。
在其中一个实施例中，所述运动质量块上与相邻运动质量块相对的一面上设置有凸点；所述运动质量块上的凸点在所述运动质量块不受外力时不与相邻的运动质量块接触。
一种振动式能量采集器的制备方法，包括步骤：制备至少两个运动极板；每个所述运动极板均包括支撑构件、运动质量块和电极层；所述支撑构件设置在所述运动质量块的外围并对所述运动质量块进行支撑；所述电极层设置在每个运动极板上与相邻运动极板相对的表面上；提供偏置电压生成装置；所述偏置电压生成装置用于在相邻两个所述运动极板之间形成固定电场；以及通过隔离装置将至少两个运动极板层叠设置；所述隔离装置用于使得相邻两个所述运动极板在无外力作用下保持预设间距；所述隔离装置设置在所述支撑构件上；所述偏置电压生成装置位于相邻两个所述运动极板之间且设置在其中一个的电极层表面。
在其中一个实施例中，所述制备运动极板的步骤包括：提供两面形成有二氧化硅层的晶片；在所述晶片两面形成光刻胶，并对晶片正面的光刻胶进行光刻以获得结构图形；以所述光刻胶为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，以去除晶片正面裸露的二氧化硅层后将光刻胶去除，形成由二氧化硅组成的结构图形；以二氧化硅为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，刻蚀单晶硅直至剩余单晶硅的厚度达到目标厚度；在所述晶片反面形成光刻胶，并进行刻蚀以获得结构图形；以光刻胶为掩膜层，采用等离子体干法刻蚀的方法，去除晶片反面裸露的二氧化硅层，并去除所述光刻胶；以二氧化硅为掩膜层，对晶片正面和反面同时进行湿化学刻蚀，刻穿所述晶片从而形成支撑构件和运动质量块；以及在所述晶片的表面形成一层金属层作为电极层。
在其中一个实施例中，所述提供偏置电压生成装置的步骤包括：在所述电极层表面形成一层驻极体；对所述驻极体进行充电以使得所述驻极体上存在电荷分布。
上述振动式能量采集器，包括至少两个层叠设置的运动极板，相邻运动极板之间通过隔离装置形成预设间距，且每个所述运动极板均包括支撑构件、运动质量块和电极层。因此，在外部振动源的作用下，各运动极板发生相互碰撞，由于碰撞耦合现象可以拓宽器件的输出频带，从而使得振动式能量采集器具有较宽的工作频率，进而提高器件在该频率范围内的能量输出效率，提高能量采集效率。
附图说明
图1为一实施例中的振动式能量采集器的主视图；
图2为图1中的振动式能量采集器的爆炸图；
图3为图1中的振动式能量采集器的剖视图；
图4为一实施例中的振动式能量采集器测试电路示意图；
图5为一实施例中的振动式能量采集器工作时最佳负载电阻的测试曲线；
图6为一实施例中的振动式能量采集器在外部负载阻值是20MΩ时，正弦驱动信号频率从125Hz到200Hz变化时的输出功率变化曲线；
图6a～6f为图6中，振动式能量采集器在180Hz时，不同加速度下的电压输出曲线；
图7为一实施例中的振动式能量采集器的制备方法的流程图；
图8为图7中步骤S710的具体流程图；
图9a～9h为图8中的制备流程对应的器件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为一实施例中的振动式能量采集器的主视图。图2为图1中的振动式能量采集器的爆炸图，图3则为图1中的振动式能量采集器的剖视图。该振动式能量采集器为静电式，用于将振动能量转换为电能进行存储或者向外供电。参见图1～3，该振动式能量采集器包括两个运动极板110和120、位于两个运动极板之间的隔离装置200和偏置电压生成装置300。
运动极板110和运动极板120层叠相对设置，从而形成一个变间距式可变电容结构。其中，运动极板110作为下级板，运动极板120则作为上极板。运动极板110和运动极板120的结构相似，二者可以具有相同的谐振频率，也可以具有不同的谐振频率。在本实施例中，运动极板110和运动极板120均包括支撑构件112、运动质量块114和电极层116。支撑构件112设置在运动质量块114的外围，并对运动质量块114进行支撑，以使得运动质量块114在外力作用下能够产生振动。在本实施例中，支撑构件112和运动质量块114均为硅基材料构成，且为一体结构。支撑构件112和运动质量块114均由单晶硅10以及形成于单晶硅10两面的二氧化硅层20构成。在其他的实施例中，支撑构件112和运动质量块114也可以为独立结构并通过键和技术进行相互连接。支撑构件112包括支撑主体1122和悬臂梁结构1124。支撑主体1122为中空结构，用于放置运动质量块114。悬臂梁结构1124分别与支撑主体1122和运动质量块114连接，从而实现对运动质量块114的支撑。在本实施例中，设置有四个悬臂梁结构1124，且四个悬臂梁结构1124对称分布于支撑主体1122上。在其他的实施例中，悬臂梁结构1124可以根据运动质量块114的质量以及大小进行设置，而并不限于本实施例中的具体结构。支撑构件112中的悬臂梁结构1124的长度、厚度以及宽度会影响器件的谐振频率，因此可以根据需要进行设计。在本实施例中，运动质量块114上还设置有多个凸点1142。多个凸点1142的高度满足振动式能量采集器在不受到外力作用时，凸点1142不与相邻的运动质量块114接触即可。运动质量块114上的凸点1142仅设置在于运动极板110和120的两个相对面上，从而可以避免运动极板110和120之间因为静电吸附力而相互接触粘附的情况发生。凸点1142在运动质量块114的表面呈中心对称分布，以确保受力均匀。电极层116覆盖在运动极板110和120上与另一运动极板相对的一面。电极层116可以为金属层。金属层生长方式可以是磁控溅射、蒸镀、电镀等。在其他的实施例中，电极层116也可以为硅基导电材料层。
隔离装置200设置在运动极板110和120之间，使得运动极板110和运动极板120在无外力作用下保持预设间距。隔离装置200固定在支撑构件112上，且分别与运动极板110和120接触。在本实施例中，隔离装置200采用具有预设高度的绝缘层，例如可以为亚克力材料层。通过调整隔离装置200也即绝缘层的厚度可以实现对运动极板110和运动极板120之间的初始间距的控制。
偏置电压生成装置300用于生成偏置电压以在运动极板110和运动极板120之间形成固定电场。在本实施例中，偏置电压生成装置300设置在运动极板110和运动极板120之间。具体地，偏置电压生成装置300设置在运动极板110的运动质量块114上，且位于运动质量块114上与运动极板120相对的一面。当周围环境的振动驱使运动极板110或者运动极板120上运动质量块114发生运动时，会导致运动极板110和运动极板120之间的间距发生变化。此时，极板之间的固定电场就会发生变化，继而对外输出电能，实现振动能量到电能的转换，完成对振动能量的采集。在本实施例中，偏置电压生成装置300为驻极体。驻极体覆盖在运动极板的运动质量块114表面。驻极体可以驻存电荷，以形成固定电场，从而为运动极板110和运动极板120提供偏置电压。驻极体可以采用无极驻极体材料或者有机驻极体材料，涂覆方式可以采用旋涂或者喷涂。驻极体上驻存电荷的极性可以为负也可以为正。驻极体在制备完成后需要充电才能存在电荷分布。可以采用电晕充电的方法对驻极体进行充电。充电时，运动极板110上裸露的电极层116接地，电晕充电尖端施加高电压，电荷会在强电场的作用下迁移到驻极体表面及内部，形成稳定的高密度固定电荷(此电荷的极性取决于电晕充电尖端电压的极性)。此高密度稳定的固定电荷可为相邻两运动极板(也即可变电容)提供偏置电压。在本实施例中，驻极体在运动极板110的制备过程同时制备完成。在其他的实施例中，也可以不设置驻极体，而采用外置的偏置电压生成装置为相邻两运动极板提供偏置电压，进而使得极板之间形成固定电场。
上述振动式能量采集器，包括有两个层叠设置运动极板110和120，相邻运动极板之间通过隔离装置200形成预设间距，且每个运动极板均包括支撑构件112、运动质量块114和电极层116。因此，在外部振动源的作用下，各运动极板发生相互碰撞，由于碰撞耦合现象可以拓宽器件的输出频带，从而使得振动式能量采集器具有较宽的工作频率，进而提高器件在该频率范围内的能量输出效率，提高能量采集效率。上述振动式能量采集器，通过对运动极板110和120的结构进行调整即可实现对其自身工作频率范围的调整。
在其他的实施例中，运动极板的数量可以为多个。多个运动极板相互层叠设置，且相邻两运动极板之间通过隔离装置进行隔离支撑。偏置电压生成装置则设置在两相对的运动极板之间，用于为相邻运动极板提供偏置电压。相对的两个运动极板之间的表面都设置有电极层，且至少一个运动质量块的相对面上设置有凸点，以防止两相邻运动极板之间出现静电吸附现象。
为进一步说明本实施例中的振动式能量采集器的具有宽频输出的性能，下面结合一具体实施例来进行说明。本实施例所选取器件结构如图3所示，其包括上下两个运动极板。该振动式能量采集器的质量关键结构参数如下：上下极板间初始间距为150μm、上极板谐振频率为148.8Hz、下极板谐振频率为183.3Hz、驻极体表面电势大约-420V。图4为振动式能量采集器的测试电路示意图，其测试原理为：器件工作时，记录电阻R0两端的电压值，然后经过计算得出电阻(R1+R0)上所消耗的功率，即为器件对外输出的功率值。其次，外加正弦振动，通过调节可变电阻R1，寻找当器件输出功率最大时，最佳的负载阻值(R1+R0)。然后固定负载阻值，逐渐改变正弦振动频率，进行扫频测试。以下结合附图对测试结果进行说明。图5为一实施例中的振动式能量采集器工作时最佳负载电阻的测试曲线。随机选取外部正弦驱动信号频率f为183Hz，驱动加速度均方根aRMS为2.0m/s2，改变负载阻值范围1MΩ～51MΩ，测出最大输出功率对应的负载电阻是20MΩ。图6为一实施例中的振动式能量采集器在外部负载阻值是20MΩ时，正弦驱动信号频率从125Hz到200Hz变化时的输出功率变化曲线，分别选取了六种振动加速度：2.8m/s2，4.2m/s2，5.6m/s2，7.0m/s2，8.4m/s2，9.8m/s2。结果显示在两个谐振峰之间明显出现了高的功率输出，并且随着加速度的增加，功率输出值增大。从图6中选取的180Hz时，加速度2.8m/s2，4.2m/s2，5.6m/s2，7.0m/s2，8.4m/s2，9.8m/s2下的电压输出曲线(分别对应图6a～图6f)可以看出，当加速度增加到大约5.6m/s2时，电压曲线开始发生扭曲，说明器件上下极板间发生了碰撞，由于碰撞引起的耦合作用，导致器件两个谐振峰之间也出现了高功率输出，实现了器件整体工作频率拓宽的目的。本实施例中，器件的带宽成功拓宽到中心频率的30％。器件在大约1g的加速度下，从141.6Hz到191.1Hz宽频范围内的输出功率是1.06μW～3.24μW。显然，上述振动式能量采集器能够实现宽频输出且具有较高的能量采集效率。
本发明还提供一种振动式能量采集器的制备方法，用于制备上述振动式能量采集器。在本实施例中，该制备方法采用MEMS微加工工艺来制备。图7为一实施例中的振动式能量采集器的制备方法的流程图，包括以下步骤：
S710，制备运动极板。
根据运动极板的结构需求制备运动极板。运动极板的制备流程如图8所示，包括以下子步骤。
S802，提供两面形成有二氧化硅层的晶片。
将一块两面氧化抛光的硅(100)晶片进行标准的清洗，得到洁净的晶片，如图9a所示。
S804，在晶片两面形成光刻胶，并对晶片正面的光刻胶进行光刻以获得结构图形。
在本实施例中，以晶片的一面为正面，则相对面为反面。在晶片正面旋涂光刻胶，并采用光刻工艺，获得由光刻胶形成的微结构图形。在晶片反面旋涂光刻胶以保护反面的二氧化硅层。制备完成的结构如图9b所示。
S806，以光刻胶为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，以去除晶片正面裸露的二氧化硅层并去除光刻胶，形成由二氧化硅组成的结构图形。
以光刻胶为掩膜层，对所得的微结构图形进行BOE(Buffered Oxide Etchant，缓冲蚀刻液)湿化学刻蚀，去除晶片正面裸露的二氧化硅层后将晶片两面的光刻胶去除，从而形成由二氧化硅组成的微结构图形，如图9c所示。
S808，以二氧化硅为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，刻蚀单晶硅直至剩余单晶硅的厚度达到目标厚度。
以二氧化硅为掩膜层，对所得的微结构图形进行氢氧化钾(KOH)湿化学刻蚀，刻蚀一定深度的单晶硅。刻蚀深度和支撑构件的悬臂梁结构的厚度有关，通常刻蚀后留下的单晶硅的厚度为悬臂梁结构厚度的两倍。图9d为完成S808后器件的结构示意图。
S810，在晶片反面形成光刻胶，并进行刻蚀以获得结构图形。
在晶片反面旋涂光刻胶，采用光刻工艺，获得由光刻胶形成的微结构图形，如图9e所示。
S812，以光刻胶为掩膜层，采用等离子体干法刻蚀的方法，去除晶片反面裸露的二氧化硅层，并去除光刻胶。图9f为完成步骤S812后的结构示意图。
S814，以二氧化硅为掩膜层，对晶片正面和反面同时进行湿化学刻蚀，刻穿晶片从而形成支撑构件和运动质量块。
以二氧化硅做掩膜层，对晶片正反两面同时进行KOH湿化学刻蚀，刻穿晶片，释放悬臂梁结构，完成四悬臂梁-运动质量块的加工。在本实施例中，运动质量块上设计了凸点。凸点可以避免器件工作时，由于静电吸附作用导致变间距式可变电容的两极板粘附在一起无法分开而损坏器件。图9g为完成S814后器件的结构示意图。
S816，在晶片的表面形成一层金属层作为电极层。
在有凸点的一侧测控溅射一层金属，作为运动极板的电极。在其他的实施例中，也可以采用蒸镀和电镀等方式进行制备。图9h为完成S816后器件的结构示意图。
完成S816即完成了运动极板的制备。
S720，提供偏置电压生成装置。
偏置电压生成装置用于为相邻两运动极板之间提供固定电场。在本实施例中，偏置电压生成装置采用驻极体。驻极体设置在相邻两运动极板之间，且设置在其中一个运动质量块表面。也即，在S816制备得到的运动极板的基础上，再在相邻的两运动极板中的其中一个运动极板的电极层表面形成一层驻极体，然后对驻极体充电以使得在驻极体上存在电荷分布即可。可以通过电晕充电的方式为运动极板表面的驻极体材料充电，使得驻极体上存在电荷分布，从而形成固定电场。
S730，通过隔离装置将至少两个运动极板层叠设置。
隔离装置用于使得相邻两个运动极板在无外力作用下保持预设间距。隔离装置设置在支撑构件上，且分别与相邻的两个运动极板接触。在本实施例中，隔离装置采用具有预设高度的绝缘层，例如可以为亚克力材料层。通过调整隔离装置也即绝缘层的厚度可以实现对两运动极板之间的间距的控制。偏置电压生成装置位于相邻两个运动极板之间且设置在其中一个运动质量块表面。
制备得到的振动式能量采集器的剖视图如图3所示。
从上述制备方法可以看出，运动极板的制备过程包括的都是简单且重复的工艺步骤，适合大规模低成本生产。构件的结构参数可以根据实际需要进行调整和修改。例如，运动极板上的支撑构件如悬臂梁的长度、厚度以及宽度会影响器件的谐振频率，因此可以根据需要进行设计。并且，将MEMS微加工工艺与静电式振动能量采集器结合，可以制造出微小型化能量采集器。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种振动式能量采集器，其特征在于，包括偏置电压生成装置、至少两个层叠设置的运动极板以及设置在两个所述运动极板之间且用于使得相邻两个所述运动极板在无外力作用下保持预设间距的隔离装置；
每个所述运动极板均包括支撑构件、运动质量块和电极层；所述支撑构件设置在所述运动质量块的外围并对所述运动质量块进行支撑；所述电极层设置在每个运动极板上与相邻运动极板相对的表面上；所述隔离装置设置在所述支撑构件上；所述偏置电压生成装置位于相邻两个所述运动极板之间且设置在其中一个的电极层表面；所述偏置电压生成装置用于在相邻两个所述运动极板之间形成固定电场。
2.根据权利要求1所述的振动式能量采集器，其特征在于，所述支撑构件和所述运动质量块均由硅基材料制成。
3.根据权利要求1所述的振动式能量采集器，其特征在于，所述偏置电压生成装置为驻极体；所述驻极体上存在电荷分布从而为相邻两个运动极板提供偏置电压。
4.根据权利要求1所述的振动式能量采集器，其特征在于，所述支撑构件包括支撑主体和悬臂梁结构；所述支撑主体为中空结构，用于放置所述运动质量块；所述悬臂梁结构分布与所述支撑主体、所述运动质量块连接。
5.根据权利要求1所述的振动式能量采集器，其特征在于，所述隔离装置为绝缘层。
6.根据权利要求1所述的振动式能量采集器，其特征在于，所述电极层为金属层或硅基导电材料层。
7.根据权利要求1所述的振动式能量采集器，其特征在于，所述运动质量块上与相邻运动质量块相对的一面上设置有凸点；所述运动质量块上的凸点在所述运动质量块不受外力时不与相邻的运动质量块接触。
8.一种振动式能量采集器的制备方法，包括步骤：
制备至少两个运动极板；每个所述运动极板均包括支撑构件、运动质量块和电极层；所述支撑构件设置在所述运动质量块的外围并对所述运动质量块进行支撑；所述电极层设置在每个运动极板上与相邻运动极板相对的表面上；
提供偏置电压生成装置；所述偏置电压生成装置用于在相邻两个所述运动极板之间形成固定电场；以及
通过隔离装置将至少两个运动极板层叠设置；所述隔离装置用于使得相邻两个所述运动极板在无外力作用下保持预设间距；所述隔离装置设置在所述支撑构件上；所述偏置电压生成装置位于相邻两个所述运动极板之间且设置在其中一个的电极层表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述制备运动极板的步骤包括：
提供两面形成有二氧化硅层的晶片；
在所述晶片两面形成光刻胶，并对晶片正面的光刻胶进行光刻以获得结构图形；
以所述光刻胶为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，以去除晶片正面裸露的二氧化硅层后将光刻胶去除，形成由二氧化硅组成的结构图形；
以二氧化硅为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，刻蚀单晶硅直至剩余单晶硅的厚度达到目标厚度；
在所述晶片反面形成光刻胶，并进行刻蚀以获得结构图形；
以光刻胶为掩膜层，采用等离子体干法刻蚀的方法，去除晶片反面裸露的二氧化硅层，并去除所述光刻胶；
以二氧化硅为掩膜层，对晶片正面和反面同时进行湿化学刻蚀，刻穿所述晶片从而形成支撑构件和运动质量块；以及
在所述晶片的表面形成一层金属层作为电极层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述提供偏置电压生成装置的步骤包括：
在所述电极层表面形成一层驻极体；
对所述驻极体进行充电以使得所述驻极体上存在电荷分布。
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