CN106787945B - 一种压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种压电‑摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，包括压电振动能量收集器主结构和摩擦电能量收集单元；压电振动能量收集器主结构包括硅固定基座、多个梯形压电悬臂梁构成的共质量块压电悬臂梁阵列及质量块；摩擦电能量收集单元包括上、下电极和表面微结构处理的柔性介电摩擦层。本发明梯形压电悬臂梁可均匀压电层上的应力分布以提高压电结构的输出功率；串联的共质量块压电悬臂梁阵列可提高压电结构的输出电压；相邻压电梁之间的间隙可以减小压电结构的空气阻尼，增加振动幅度；上、下带柔性介电摩擦层摩擦电能量收集单元实现碰撞限幅，拓展压电振动能量收集器的工作频带，同时实现摩擦电机理转换，提高器件的输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS微能源技术领域，特别涉及一种宽频带工作和高功率输出的压电-摩擦电复合式微型能量收集器。
背景技术
长寿命、高能量密度、高性能微型环境能量收集技术是一项典型的军民两用技术，在智能制造、信息化武器装备、无人值守监测网络、环境监测、人体健康监测网络、智能建筑、物联网等领域具有迫切的应用需求。当前，以上众多领域采用的无线微电子器件与系统均采用电池供电，传统电池存在寿命短、体积大、环境污染、更换不方便、有时甚至无法更换和特殊环境不能正常工作等不足，严重制约了以上诸多领域的发展。基于MEMS/NEMS技术的具有长寿命、小体积、高功率密度、高可靠性、低成本、免维护的微能源技术是解决这些问题的重要使能技术。
振动能广泛存在于我们周围的环境中，现有的振动能量收集器主要有压电式、电磁式和静电式。压电振动能量收集器具有无外加电源、结构简单、MEMS工艺兼容性好、输出功率密度较高等优点，成为国内外微能源技术的重要研究方向。由于压电振动能量收集器在固有频率与环境的振动频率相匹配的谐振状态下的输出功率达最大；又振动环境一般比较复杂，其振动频率多为具有较宽频带的复合式频率，为此，开展具有较宽频带范围的可有效提高压电振动能量收集器的能量获取效率。同时目前国内外研制的振动能量收集器主要集中在单一转换机制，限制了器件的能量转换效率，设计基于两种或者两种以上俘能机理的复合式结构是提高振动能量收集器能量转换效率的一种有效方法。如何改善和提高器件的能量获取效率和能量转换效率，提高输出性能和工作频带是微型压电振动能量采集器得以在无线传感网络节点实用化的关键问题，也是目前研究和关注的热点与难点。
发明内容
本发明目的在于为解决现有技术的问题，提供一种压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，有效改善和提高器件的能量获取效率和能量转换效率，提高器件输出性能和工作频带，以解决传统压电能量收集器工作频带窄，输出电压与输出功率不能同时满足无线传感网络节点的应用需求等问题。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，包括封装外壳以及设置在外壳内部的压电振动能量收集器主结构和上、下两个垂直接触分离式摩擦电能量收集单元；所述压电振动能量收集器主结构包括硅固定基座、质量块和共质量块压电悬臂梁阵列；所述共质量块压电悬臂梁阵列由多个等间距的相同尺寸的梯形压电悬臂梁组成，梯形压电悬臂梁横卧水平布置，梯形下底与一侧的硅固定基座连接，梯形上底共同连接另一侧的质量块；所述质量块包括硅质量块及其上、下表面的电极层；所述摩擦电能量收集单元包括上、下电极和表面微结构处理的柔性介电摩擦层，上、下电极固定在质量块的上方和下方，隔开一定距离，上、下电极的表面具有表面微结构处理的柔性介电摩擦层，工作中与质量块形成垂直接触分离关系。
作为优选，所述的梯形压电悬臂梁由下至上依次包括硅支撑梁、压电膜下电极层、压电膜和压电膜上电极层。
作为优选，所述压电膜的材料为AlN压电膜、AlScN压电膜、ZnO压电膜、PZT陶瓷、LiNbO 3 压电膜或PMNT压电单晶。
作为优选，所述具有相同尺寸的梯形压电悬臂梁在谐振点处通过串联或并联的电极级联方式连接。
作为优选，所述的垂直接触分离式摩擦电能量收集单元为单电极或上、下双电极式。
作为优选，所述的柔性介电摩擦层的材料为PDMS膜、CYTOP膜、PP膜或FEP膜。
作为优选，所述的介电摩擦层的表面微结构为正方体、长方体、圆柱体或四棱锥。
作为优选，所述的PDMS膜为纯PDMS膜或掺碳纳米管、导电石墨烯、导电石墨粉、Ag纳米线或Au纳米颗粒的复合PDMS膜。
作为优选，所述压电悬臂梁的压电膜上、下电极层，所述质量块的上、下表面电极层，所述摩擦电能量收集单元的上、下电极，电极材料为Al、Cu、Ag、Pt/Ti合金或Au/Cr合金。
本发明的优点在于：
1、本发明提出的梯形结构的压电悬臂梁可以均匀压电层上的应力分布，提高压电结构的输出功率。
2、本发明提出的压电悬臂梁阵列共用同一质量块，可保证压电悬臂梁的共振频率和相位相同，在串联级联情况下可提高压电结构的输出电压。
3、本发明提出的相邻压电梁之间的间隙可以减小压电结构的空气阻尼，增加振动幅度。
4、本发明提出的上、下带柔性介电摩擦层摩擦电能量收集单元实现碰撞限幅，拓展压电振动能量收集器的工作频带，同时实现摩擦电机理转换，提高器件的输出功率，以解决传统单一换能方式存在输出功率小、能量收集效率低等技术瓶颈。
5、本发明提出的微型能量收集器可实现中、低频振动环境下宽频带工作和高功率输出。
因此，本发明的提出为实现微型能量收集器的实用化，提供重要的理论和技术支撑，具有迫切的应用前景、重要的科学意义和巨大的经济与社会效益。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1是本发明压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器的结构示意图；
图2是本发明压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器主结构的俯视图；
图3是本发明压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器主结构的主视图；
图4是本发明压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器工艺流程图。
图中：1封装外壳，2. 硅固定基座，3. 硅支撑梁，4. 硅质量块，5. 压电膜上、下电极层，6. 压电膜，7. 质量块上的摩擦电极层，8. 具有表面微结构的柔性介电摩擦层，9.摩擦电能量收集单元的上、下电极。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围：
参见图1、图2和图3，本发明提出了一种压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，包括：封装外壳1，采用Pyrex 7740玻璃。设置在外壳内部的压电振动能量收集器主结构和上、下两个垂直接触分离式摩擦电能量收集单元。
压电振动能量收集器主结构包括硅固定基座2、共质量块压电悬臂梁阵列及质量块4。
共质量块压电悬臂梁阵列由多个等间距的相同尺寸的梯形压电悬臂梁组成，梯形压电悬臂梁横卧水平布置，梯形下底与左侧的硅固定基座连接，梯形上底共同连接右侧的质量块。梯形压电悬臂梁由下至上依次包括硅支撑梁3、压电膜下电极层5、压电膜6和压电膜下电极层5。质量块包括硅质量块4及其上、下表面的摩擦电极层7。
摩擦电能量收集单元包括上、下电极9和表面微结构处理的柔性介电摩擦层8。上、下电极9固定于质量块的上方和下方，表面微结构处理的柔性介电摩擦层8分别位于上、下电极9表面。收集单元与质量块之间的间距取决于限幅程度。
本压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器的工作原理：压电振动能量收集器主结构是基于压电效应实现环境振动能-电能的转换，摩擦电能量收集单元是基于摩擦起电和静电感应效应实现环境动能-电能的转换。
本发明的压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器是以SOI基片为衬底材料，通过MEMS加工工艺实现器件的制备，具体加工工艺流程参见图4：
1）备片：准备SOI基片，采用标准工艺清洗双面抛光硅片；生长SiO 2 层：采用热氧化法在基片上双面生长厚度为0.3 μm的SiO 2 层，如图4（a）所示。
2）形成压电层下电极和质量块上电极：光刻1，形成电极图形，磁控溅射生长Ti/ Pt，剥离工艺形成压电层下电极和质量块上电极。PZT薄膜制备及图形化：溶胶-凝胶法(sol-gel)在Ti/Pt电极上旋涂LaNiO 3 (LNO)及PZT压电层，光刻2，室温下图形化PZT/LNO，形成图形。形成压电层上电极：正面磁控溅射一层Al薄膜，光刻3，湿法腐蚀Al，丙酮去胶形成压电层上电极。形成质量块下电极：整个硅片背面磁控溅射一层Ti/Pt薄膜，光刻4，湿法腐蚀Ti/Pt，丙酮去胶形成质量块下电极，如图4（b）所示。
3）硅片双面涂胶，正面光刻5，露出悬臂梁间缝、槽、键合区，正面湿法腐蚀SiO2层；丙酮超声去除两面光刻胶，背面测控溅射一层Al膜，作为背面ICP刻蚀掩蔽层；双面涂胶，背面光刻6，采用湿法腐蚀Al，形成质量块图形，丙酮超声去除双面光刻胶；正面涂胶光刻7，露出悬臂梁间隙及槽，正面ICP刻蚀Si结构层直至中间SiO 2 掩埋层，形成悬臂梁图形和槽图形，丙酮超声去正面光刻胶；背面ICP刻蚀Si（留200 μm），形成质量块图形，如图4（c）所示。
4）形成摩擦电能量收集单元（器件的上、下键合部分）：形成铸膜转印模板：采用标准工艺清洗硅片，光刻8、湿法腐蚀在硅基片上制作四棱锥金字塔状阵列的微结构，特征尺寸为10-50 μm，间距为1-5 μm。形成上、下键合部分：采用标准工艺清洗Pyrex 7740玻璃晶圆基片，光刻9，湿法腐蚀得到键合基本结构骨架，磁控溅射生长Al电极；通过铸膜转印和旋涂工艺制备具有四棱锥金字塔状微结构的柔性PDMS介电摩擦层，50-80 ℃下加热固化1-2小时，去除硅基模板，得到摩擦电能量收集单元（上、下键合部分采用相同的工艺），如图4（d）、4（e）所示。
5）正面键合，如图4（f）所示。
6）背面ICP刻蚀Si，至中间SiO 2 掩埋层；湿法刻蚀背面Al，RIE刻蚀中间SiO 2 掩埋层，释放结构。背面键合，得到器件结构，如图4（g）所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，包括封装外壳以及设置在外壳内部的压电振动能量收集器主结构和上、下两个垂直接触分离式摩擦电能量收集单元；所述压电振动能量收集器主结构包括硅固定基座、质量块和共质量块压电悬臂梁阵列；所述共质量块压电悬臂梁阵列由多个等间距的相同尺寸的梯形压电悬臂梁组成，梯形压电悬臂梁横卧水平布置，梯形下底与一侧的硅固定基座连接，梯形上底共同连接另一侧的质量块；所述质量块包括硅质量块及其上、下表面的电极层；所述摩擦电能量收集单元包括上、下电极和表面微结构处理的柔性介电摩擦层，上、下电极固定在质量块的上方和下方，隔开一定距离，上、下电极的表面具有表面微结构处理的柔性介电摩擦层，工作中与质量块形成垂直接触分离关系。
2.如权利要求1所述的压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，其特征在于，所述梯形压电悬臂梁由下至上依次包括硅支撑梁、压电膜下电极层、压电膜和压电膜上电极层。
3.如权利要求2所述的压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，其特征在于，所述压电膜的材料为AlN压电膜、AlScN压电膜、ZnO压电膜、PZT陶瓷、LiNbO 3 压电膜或PMNT压电单晶。
4.如权利要求1所述的压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，其特征在于，所述具有相同尺寸的梯形压电悬臂梁在谐振点处通过串联或并联的电极级联方式连接。
5.如权利要求1所述的压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，其特征在于，所述的柔性介电摩擦层的材料为PDMS膜、CYTOP膜、PP膜或FEP膜。
6.如权利要求5所述的压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，其特征在于，所述的PDMS膜为纯PDMS膜或掺碳纳米管、导电石墨烯、导电石墨粉、Ag纳米线或Au纳米颗粒的复合PDMS膜。
7.如权利要求1所述的压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，其特征在于，所述的柔性介电摩擦层的表面微结构为正方体、长方体、圆柱体或四棱锥。
8.如权利要求2所述的压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，其特征在于，所述压电悬臂梁的压电膜上、下电极层，所述质量块的上、下表面电极层，所述摩擦电能量收集单元的上、下电极，电极材料为Al、Cu、Ag、Pt/Ti合金或Au/Cr合金。
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