CN107947521B

CN107947521B - 一种电磁式振动能量收集器及其制备方法

Info

Publication number: CN107947521B
Application number: CN201711305374.4A
Authority: CN
Inventors: 黄晓东; 黄见秋; 黄庆安
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2037-12-08
Also published as: CN107947521A

Abstract

本发明提出一种电磁式振动能量收集器及其制备方法，该电磁式振动能量收集器包括：相互堆叠的第一衬底和第二衬底；所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽；所述第二衬底的上表面形成有第二凹槽；所述第二凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第二凹槽相对堆叠形成腔体，该腔体呈球体状；所述永磁体可在所述腔体中运动；在所述第一衬底的上表面设置有第一电感线圈层，在所述第二衬底的下表面设置有第二电感线圈层。通过本发明的制备方法制备的电磁式振动能量收集器具有较高的能量收集效率、输出功率和输出功率密度(W/cm²)；改善了电磁式振动能量收集器的可靠性和使用寿命，简化了器件制作难度；易于批量制造、制造成本低及易于小型化。

Description

一种电磁式振动能量收集器及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种收集环境中振动能量的能量收集器及其制备方法，特别地涉及一种基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微机电系统)技术的电磁式振动能量收集器及其制备方法。

【背景技术】

能量收集器可拾取环境能量(如辐射、温差、振动等)并转化为电能为系统供电。与传统的电化学电池比较，能量收集器具有经济、环保且理论上无寿命限制等优点，因此符合能源的未来发展趋势，非常适合于为物联网、可穿戴设备等新兴领域提供电能。太阳能、电磁辐射、温差、振动等都是可拾取的环境能源，与其它环境能源相比，振动是一种分布广泛的能量源，因此，振动能量收集器具有广阔的发展和应用前景。

在各种类型的振动能量收集器中，基于法拉第电磁感应原理的电磁式振动能量收集器的发展最为成熟。一个典型的电磁式能量收集器主要由电感线圈和永磁体构成，其中，电感线圈或者永磁体设置在悬臂梁等可动结构上，在振动环境中，电感线圈和永磁体发生相对运动，进而在电感线圈中产生感应电流。为了提高能量收集效率，要求该类电磁式能量收集器工作在谐振状态(即要求收集器中的拾振结构(如悬臂梁)的固有频率接近环境中的振动频率)，但是，环境中的振动具有频带宽且多变的特点，因此，实际中该能量收集器很难工作在谐振状态，其能量收集效率较低。此外，该类电磁式能量收集器往往仅能收集单一方向的振动能量，当工作在振动方向随机变化的环境时，它的能量收集效率很低。

在相关技术文献中，提出了一种电磁式非谐振型振动能量收集器，在振动环境中，它的拾振结构(可动永磁体)可在设置有电感线圈的腔体内自由运动，无论振动频率和振动方向如何变化，该能量收集器都具有较高的收集效率。但是，对于该能量收集器，因为腔体设置了电感线圈结构，所以腔体表面非常不平整，这导致可动永磁体在腔体表面运动时会产生的很大摩擦，进而导致可动永磁体的动能通过摩擦生热而浪费掉(而非转化为电能)，这降低了能量收集器的收集效率；此外，当可动永磁体在腔体表面运动时，会对设置在腔体表面的绝缘层及下面的电感线圈造成磨损，因此，该能量收集器的可靠性和使用寿命均有待改善；另外，当可动永磁体与腔体发生碰撞时，由于发生的碰撞为非弹性碰撞，所以会导致可动永磁体的动能转化为热能(而非电能)损失掉，这进一步降低了能量收集器的收集效率；此外，该能量收集器需要在凹槽这种三维结构表面进行电感线圈的加工，加工难度较大，制备工艺较为复杂。

基于这些问题，有必要提供一种新的电磁式振动能量收集器及其制备方法，以有效改善电磁式振动能量收集器的能量收集效率、器件的可靠性和使用寿命以及降低器件的加工难度。

【发明内容】

为了解决上述问题，本发明提供了一种电磁式振动能量收集器，其包括：相互堆叠的第一衬底和第二衬底；所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽；所述第二衬底的上表面形成有第二凹槽；所述第二凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第二凹槽相对堆叠形成腔体，该腔体呈球体状；所述永磁体可在所述腔体中运动；

在所述第一衬底的上表面设置有第一电感线圈层，在所述第二衬底的下表面设置有第二电感线圈层。

优选地，所述第一电感线圈层与所述第一衬底之间、所述第二电感线圈层与所述第二衬底之间设置有绝缘层。

优选地，所述第一凹槽、所述第二凹槽的表面设置有绝缘层。

优选地，所述第一电感线圈层和/或所述第二电感线圈层为矩形螺旋面结构或圆形螺旋面结构。

优选地，所述永磁体为球体。

本发明还提供了一种电磁式振动能量收集器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

选择第一衬底，刻蚀所述第一衬底的下表面，形成第一凹槽结构；

对所述第一凹槽结构表面执行表面平整步骤；

在所述第一衬底的上下表面沉积绝缘层，形成覆盖所述第一衬底上表面的第一绝缘层、覆盖所述第一衬底下表面及所述第一凹槽结构的第二绝缘层；

在所述第一绝缘层上沉积并刻蚀形成第一电感线圈层；

选择第二衬底，执行与所述第一衬底相同的步骤形成第二凹槽结构、与所述第二凹槽结构相对的第二电感线圈层，覆盖所述第二衬底上表面及所述第二凹槽结构的第三绝缘层、覆盖所述第二衬底下表面的第四绝缘层、形成在所述第四绝缘层表面的第二电感线圈层；

在所述第二凹槽结构内安装永磁体；

将所述第一衬底的第一凹槽结构正对所述第二衬底的第二凹槽结构进行组装，制成所述电磁式振动能量收集器。

优选地，所述表面平整步骤包括湿法热氧化工艺和氧化层刻蚀工艺。

优选地，所述第一凹槽结构正对所述第二凹槽结构组装形成球体状腔体。

优选地，所述组装包括键合工艺。

优选地，制备所述第一电感线圈层和/或所述第二电感线圈层包括沉积Ti/Cu或Cr/Cu的复合层。

本发明的有益效果是：

(1)采用两组电感线圈进行能量收集提高了收集器的能量收集效率和输出功率，此外，腔体呈球形，并且腔体内表面没有设置任何凹凸不平的结构或图形且腔体内表面进行了平整处理，进一步提高了收集器的能量收集效率和输出功率；

(2)改善了电磁式振动能量收集器的可靠性和使用寿命；

(3)本发明的电感线圈设置在腔体外侧，可以直接采用平面工艺在衬底表面进行加工，制备工艺简单；

(4)采用MEMS技术制备，能量收集器还具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及制造成本低的优点。

【附图说明】

图1为本发明的电磁式振动能量收集器的剖面结构示意图；

图2为本发明的电磁式振动能量收集器中第一电感线圈层的平面结构俯视图。

图中，10、第一衬底，11、第一绝缘层，12、第一电感线圈层、13、第一凹槽，14、第二绝缘层，20、第二衬底，21、第四绝缘层，22、第二电感线圈层，23、第二凹槽，24、第三绝缘层，31、永磁体。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明做详细说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。

实施例1

本发明提供了一种电磁式振动能量收集器，该电磁式振动能量收集器包括：相互堆叠的第一衬底10和第二衬底20；第一衬底10的下表面形成有第一凹槽13；第二衬底20的上表面形成有第二凹槽23；第一凹槽13、第二凹槽23均呈半球形；第二凹槽23中设置有永磁体31，该永磁体31为球体；第一凹槽13与第二凹槽23相对堆叠形成球体状腔体；永磁体31能够在该腔体内运动；在第一衬底10的上表面设置有第一电感线圈层12，第二衬底20的下表面设置有第二电感线圈层22。

第一电感线圈层12和第二电感线圈层22呈矩形螺旋面结构或者圆形螺旋面结构；第一电感线圈层12位于第一凹槽13上方，第二电感线圈层22位于第二凹槽23的下方；第一凹槽13与第二凹槽23构成腔体，在本实施方式中该腔体呈球体状；第一凹槽13和第二凹槽23的深度为100μm～1000μm。

在本实施方式中，第一衬底10和第二衬底20优选为硅；第一绝缘层11和第四绝缘层21为厚度在100nm～1000nm的SiO₂、Si₃N₄或SiO₂/Si₃N₄的至少一种。第一绝缘层11的作用在于实现第一电感线圈层12与第一衬底10的电隔离；第四绝缘层21的作用在于实现第二电感线圈层22与第二衬底20的电隔离。

第一电感线圈层12和第二电感线圈层22包括一层Ti或Cr和一层Cu复合形成的复合层，线圈层厚度在1μm～10μm。其中，Ti或Cr用于增加电感线圈层与绝缘层的粘附性，Cu用于降低电感线的寄生电阻以提高电感的品质因数。第一电感线层12和第二电感线层22的图形和尺寸可以相同也可以不同；优选地，第一电感线层12和第二电感线层22的图形和尺寸相同，这样在制备过程中可以使用相同的掩膜版加工第一电感线层12和第二电感线层22，从而降低制备成本。

第二绝缘层14和第三绝缘层24优选为热氧化生长的SiO₂，厚度在500nm～3000nm，热氧化生长的SiO₂在凹槽等三维结构中的薄膜覆盖均匀性良好，这有助于改善腔体表面的平整度，从而减小可动永磁体在腔体表面运动时的产生摩擦。第二绝缘层14和第三绝缘层24的另一作用在于实现第一衬底10和第二衬底20之间的电隔离以及第二衬底20与永磁体31相互之间的隔离。

本发明的电磁式振动能量收集器的工作原理：该电磁式振动能量收集器采用永磁体31作为拾振结构，在振动环境中，永磁体31在第一凹槽13和第二凹槽23形成的腔体内运动，引起第一电感线圈层12和第二电感线圈层23的磁通量发生变化，进而导致在电感线圈层与各自外接负载形成的闭合回路中产生感应电流，从而实现动能转换为电能。另外，本发明的拾振结构为非谐振型的拾振结构，在振动环境中，拾振结构可在腔体内自由运动，拾振结构对不同频率、不同方向的环境振动均能做出敏感地响应。

实施例2

本发明提供了一种电磁式振动能量收集器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

选择第一衬底，刻蚀该第一衬底的下表面，形成第一凹槽结构。具体地，例如选用500μm厚的N型(100)硅作为第一衬底，通过例如低压化学气相沉积方法在该第一衬底的下表面生长200nm厚度的Si₃N₄，刻蚀所述衬底下表面的Si₃N₄，以Si₃N₄做掩膜使用BOE(buffered oxide etch，缓冲氧化物刻蚀液，溶液配比为HF、NH₄F的体积比＝1∶6)、HNO₃和CH₃COOH混合液(BOE、HNO₃、CH₃COOH的体积比＝1∶3∶8)对第一衬底进行各向同性湿法刻蚀，形成如400μm深的第一凹槽，在刻蚀溶液中加入适当的CH₃COOH有助于保持刻蚀速率的恒定，进而改善凹槽表面刻蚀形貌的平整度。

对形成的第一凹槽结构表面执行表面平整步骤。具体地，例如使用H₃PO₄溶液去除硅片表面的Si₃N₄，利用湿法热氧化工艺在第一凹槽的表面生长一层500nm厚的SiO₂，再使用氢氟酸缓冲液(HF、NH₄F的体积比＝1∶6)刻蚀去除该层的SiO₂，接着，再使用湿法热氧化工艺在硅片表面生长500nm厚的SiO₂，并再使用BOE刻蚀去除该层SiO₂，该过程重复2-4次；湿法热氧化过程会消耗表面的硅并生成SiO₂，如果凹槽表面凹凸不平，则对于表面凸起位置的硅在湿法热氧化过程中消耗速度和生成SiO₂的速度会更快，因此，通过湿法热氧化工艺在硅表面生长SiO₂然后再利用BOE去除SiO₂的方法，可以有效改善凹槽表面的平整度。

在第一衬底的上下表面沉积绝缘层，形成覆盖第一衬底上表面的第一绝缘层、覆盖第一衬底下表面及第一凹槽结构的第二绝缘层。具体地，例如利用湿法热氧化工艺在第一衬底的上下表面生长一层1000nm厚的SiO₂，以沉积形成绝缘层。

在第一绝缘层上沉积并刻蚀形成第一电感线圈层。具体地，在第一衬底的上表面使用例如物理气相沉积工艺形成100nm厚的Ti以及5μm厚的Cu，并光刻形成第一电感线圈层。

选择第二衬底，执行与第一衬底相同的步骤形成第二凹槽结构、与第二凹槽结构相对的第二电感线圈层，覆盖第二衬底上表面及第二凹槽结构的第三绝缘层、覆盖第二衬底下表面的第四绝缘层、形成在第四绝缘层表面的第二电感线圈层，其中，例如选用500μm厚的N型(100)硅作为第二衬底。

在第二衬底的上表面形成的第二凹槽结构内安装永磁体；将第一衬底的第一凹槽结构正对第二衬底的第二凹槽结构进行组装并形成球体状腔体，以制成本发明的电磁式振动能量收集器。

应注意，薄膜的制备包括物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺、溅射工艺或者其它工艺。

与现有技术相比，通过本发明的制备方法所制备的电磁式振动能量收集器具有较高的能量收集效率；改善了电磁式振动能量收集器的可靠性和使用寿命，并且降低了器件的加工难度；采用MEMS技术制备，能量收集器还具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及制造成本低的优点。具体地，采用两组电感线圈进行能量收集，拾振结构在腔体内运动时，会导致这两组电感线圈均产生电学输出，在相同器件面积的条件下，这提高了收集器的能量收集效率、输出功率及输出功率密度(W/cm²)，有利于器件的小型化；由于腔体内没有设置任何凹凸不平的结构和图形并对腔体表面进行表面平整处理，提高了腔体表面的平整度，抑制了拾振结构在腔体表面运动时产生的摩擦以及由于摩擦所造成的能量损耗，进一步提高了收集器的能量收集效率和输出功率；由于本发明的腔体和永磁体均呈球体状，有助于减少可动永磁体与腔体的碰撞及造成的能量损失并使得可动永磁体在腔体内的运动主要以滚动的方式进行，滚动的运动方式有助于进一步减小可动永磁体与腔体的摩擦，并且对于环境振动的响应更敏感，因此，进一步提高了收集器的能量收集效率和输出功率；本发明器件的电感线圈可以直接使用平面工艺在衬底表面制备，制备工艺简单，加工难度低，有助于提升器件的成品率和降低器件成本。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种电磁式振动能量收集器，其特征在于，其包括：

相互堆叠的第一衬底和第二衬底；所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽；所述第二衬底的上表面形成有第二凹槽；所述第二凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第二凹槽相对堆叠形成腔体，该腔体呈球体状；所述永磁体可在所述腔体中运动；

2.根据权利要求1所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述第一电感线圈层与所述第一衬底之间、所述第二电感线圈层与所述第二衬底之间设置有绝缘层。

3.根据权利要求1所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述第一凹槽、所述第二凹槽的表面设置有绝缘层。

4.根据权利要求1所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述第一电感线圈层和/或所述第二电感线圈层为矩形螺旋面结构或圆形螺旋面结构。

5.根据权利要求1所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述永磁体为球体。

6.一种电磁式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

对所述第一凹槽结构表面执行表面平整步骤；

在所述第一绝缘层上沉积并刻蚀形成第一电感线圈层；

在所述第二凹槽结构内安装永磁体；

7.根据权利要求6所述的电磁式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，所述表面平整步骤包括湿法热氧化工艺和氧化层刻蚀工艺。

8.根据权利要求6所述的电磁式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，所述第一凹槽结构正对所述第二凹槽结构组装形成球体状腔体。

9.根据权利要求6所述的电磁式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，所述组装包括键合工艺。

10.根据权利要求6所述的电磁式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，制备所述第一电感线圈层和/或所述第二电感线圈层包括沉积Ti/Cu或Cr/Cu的复合层。