CN108002341B - 电磁式振动能量收集器及其制备方法 - Google Patents

电磁式振动能量收集器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电磁式振动能量收集器及其制备方法，该振动能量收集器包括：相互堆叠的第一衬底、第二衬底和第三衬底；所述第一衬底、所述第三衬底经刻蚀分别形成第一、第二悬臂梁结构，其中所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽、所述第一凹槽上方为第一悬臂梁结构，所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；所述第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一电磁拾振结构，所述第二悬臂梁结构的外侧表面设置有第二电磁拾振结构。使用本发明的制备方法制备的电磁式振动能量收集器具有结构紧凑、输出功率密度高、精度高、一致性好、易于批量制造、制造成本低及易于小型化的优点。

Description

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，尤其涉及一种基于电磁感应原理的能在宽频带范围高效收集环境中振动能量的电磁式谐振型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两部分构成，其中，电感线圈(或永磁体)设置在悬臂梁等可动结构上，而永磁体(或电感线圈)则设置在固定结构上，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附近(即要求能量收集器中拾振结构(如悬臂梁等)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，另一方面，目前的电磁式振动能量收集器通常只存在单一的谐振结构(或谐振频率)，因此，它的能量收集效率较低。因此，有必要提出一种新的电磁式振动能量收集器。
【发明内容】
基于上述问题，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、第二衬底和第三衬底；所述第一衬底、所述第三衬底经刻蚀分别形成第一、第二悬臂梁结构，其中所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽、所述第一凹槽上方为第一悬臂梁结构，所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；
所述第二衬底的上、下表面相对应的位置形成有第三凹槽和第四凹槽，所述第三凹槽和所述第四凹槽之间间隔第二衬底薄膜；所述第三凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第三凹槽相对堆叠，所述第二凹槽与所述第四凹槽相对堆叠；
所述第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一电磁拾振结构，所述第二悬臂梁结构的外侧表面设置有第二电磁拾振结构。
优选地，还包括设置在所述第一悬臂梁结构末端的第一质量块，和/或还包括设置在所述第二悬臂梁结构末端的第二质量块。
优选地，所述第一电磁拾振结构包括设置在所述第一悬臂梁表面的第一电感线圈层；和/或所述第二电磁拾振结构包括设置在所述第二悬臂梁表面的第二电感线圈层。
优选地，所述第一凹槽、所述第二凹槽、所述第三凹槽、所述第四凹槽的表面设置有绝缘层。
优选地，所述第一、第二电感线圈层与所述第一衬底和所述第二衬底之间均设有绝缘层。
本发明还提出了一种电磁式振动能量收集器的制备方法，其包括以下步骤：
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；
在所述第一衬底与所述下表面相对的上表面沉积并刻蚀形成第一电感线圈层；
刻蚀所述第一衬底的上表面，形成第一悬臂梁结构；
选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的上、下表面，形成第三凹槽结构、第四凹槽结构，所述第三凹槽结构和所述第四凹槽结构间隔残留的所述第二衬底薄膜相对设置，形成方形膜结构；
在所述第二衬底的上表面形成的所述第三凹槽结构内安装永磁体；
选择第三衬底，执行与所述第一悬臂梁结构相同的制备步骤形成第二悬臂梁结构；其中所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；
将所述第一衬底的第一凹槽结构正对所述第二衬底的第三凹槽结构、所述第二衬底的第四凹槽结构正对所述第三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，在所述第一凹槽结构、所述第二凹槽结构、所述第三凹槽结构、所述第四凹槽结构表面沉积绝缘层。
优选地，所述制备方法还包括以下步骤：在所述第一悬臂梁结构末端、所述第二悬臂梁结构末端安装质量块。
优选地，所述组装包括键合工艺。
优选地，所述第一悬臂梁结构和所述第一电感线圈层之间沉积有绝缘层。
本发明的有益效果是：
(1)本发明能量收集器的具有三组不同谐振频率的拾振结构，可以实现对环境中的振动进行宽频带、高效率的拾取，采用两组电感线圈进行能量收集，这进一步提高了收集器的能量收集效率和输出功率；
(2)具有结构紧凑、输出功率密度高(W/cm2)及易于小型化的优点；
(3)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、制造成本低的优点。
【附图说明】
图1为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、第一质量块，14、第二绝缘层，15、第一凹槽，20、第二衬底，21、第三绝缘层，22、第四绝缘层，23、永磁体，24、第三凹槽，25、第四凹槽，30、第三衬底，31、第六绝缘层，32、第二电感线圈层，33、第二质量块，34、第五绝缘层，35、第二凹槽。
【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
参见图1和图2，本发明提供了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10、第二衬底20和第三衬底30；第一衬底10、第三衬底30经刻蚀分别形成第一、第二悬臂梁结构，其中第一衬底10的下表面形成有第一凹槽15、第一凹槽15上方为第一悬臂梁结构，第三衬底30的上表面形成有第二凹槽35、第二凹槽35下方为第二悬臂梁结构。
第二衬底20的上、下表面的中央区域形成有第三凹槽24和第四凹槽25，第三凹槽24和第四凹槽25被残留的第二衬底薄膜间隔开，该第二衬底薄膜例如为方形、圆形或其它形状的膜结构，在本实施方式中，为方形膜结构，第三凹槽24中设置有永磁体23，该永磁体23为球体或者圆柱体；第一凹槽15与第三凹槽24相对堆叠，第二凹槽35与第四凹槽25相对堆叠。
第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一电磁拾振结构，第二悬臂梁结构的外侧表面设置有第二电磁拾振结构；第一电磁拾振结构包括设置在第一悬臂梁结构表面的第一电感线圈层12；第二电磁拾振结构包括设置在第二悬臂梁结构表面的第二电感线圈层32。
在本实施方式中，第一衬底10、第二衬底20及第三衬底30为刚性衬底，例如为硅、玻璃；第一凹槽15、第二凹槽35、第三凹槽24、第四凹槽25的表面分别沉积有第二绝缘层14、第五绝缘层34、第三绝缘层21、第四绝缘层22；在第一衬底10的上表面和第三衬底的下表面分别沉积有第一绝缘层11和第六绝缘层31；在第一绝缘层11和第六绝缘层31上的第一悬臂结构和第二悬臂结构分别设有第一电感线圈层12和第二电感线圈层32，第一电感线圈层12和第二电感线圈层32均呈矩形螺旋面结构。
电磁式振动能量收集器还包括设置在第一悬臂梁结构末端的第一质量块13以及设置在第二悬臂梁结构末端的第二质量块33，但是不限于此，质量块还可以设置在其它位置。质量块为金属材料，通过调整质量块的质量可以调节悬臂梁结构的谐振频率。
第一凹槽15和第三凹槽24对准贴合，第二凹槽35和第四凹槽25对准贴合，第一衬底10的下表面和第二衬底20的上表面、第二衬底20的下表面和第三衬底30的上表面例如通过键合或者粘合组装在一起。第一凹槽15、第二凹槽35、第三凹槽24、第四凹槽25的深度为100μm-500μm。
第一绝缘层11和第六绝缘层31为厚度在100nm-1000nm的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；第六绝缘层31的作用在于实现第二电感线圈层32与第三衬底30的电隔离。
第一电感线圈层12和第二电感线圈层32均包括一层Ti和一层Cu，电感线圈层厚度在1μm-10μm的范围内。其中，Ti用于增加电感线圈层与绝缘层的粘附性，Cu用于降低电感线圈的寄生电阻以提高电感的品质因数。
第二绝缘层14、第三绝缘层21、第四绝缘层22和第五绝缘层34为SiO2、Si3N4的至少一种，厚度在200nm-2μm。第二绝缘层14的作用在于实现第一衬底10与第二衬底20的电隔离；第三绝缘层21的作用在于实现第一衬底10与第二衬底20的电隔离以及第二衬底20与永磁体23的隔离；第四绝缘层22和第五绝缘层34的作用在于实现第二衬底20与第三衬底30的电隔离，两层隔离有助于增强隔离的效果和强度。
第一衬底10的悬臂梁结构、第二衬底20的方形膜结构和第三衬底30的悬臂梁结构的谐振频率在100Hz-103Hz的范围内，例如上述三个结构的谐振频率相互之间相差一到两个数量级。
需要说明的是，悬臂梁结构的谐振频率可通过调节悬臂梁结构的长度、厚度等几何尺寸或者调节悬臂梁结构末端的质量块的质量来实现；方形膜结构的谐振频率可通过调节方形膜结构的长度、厚度等几何尺寸或者调节设置在第三凹槽中的永磁体的质量来实现。
工作原理
本发明的电磁式振动能量收集器的工作原理(为了便于说明，假定第一衬底的悬臂梁结构的谐振频率<第二衬底的方形膜结构的谐振频率<第三衬底的悬臂梁结构的谐振频率，其他情况下工作原理类似)：在低频振动环境中，第一衬底的悬臂梁结构的谐振频率最接近环境中的振动频率，造成第一衬底的悬臂梁结构发生大幅度的振动，导致设置在第一衬底悬臂梁结构上的第一电感线圈层和永磁体产生大的相对运动并引起第一电感线圈层的磁通量发生大的变化，进而导致在电感线圈层与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。需指出的是，在低频振动环境中，第二衬底的方形膜结构和第三衬底的悬臂梁结构也会发生振动但振动幅度相对较小，并引起第二电感线圈层的磁通量发生变化并产生感应电流；在中频振动环境中，方形膜结构的谐振频率更接近环境中的振动频率，导致方形膜结构发生大幅度的振动，并引起第一电感线圈层和第二电感线圈层磁通量发生大的变化并产生大的感应电流；在高频振动环境中，第三衬底的悬臂梁结构发生大幅度的振动，并引起第二电感线圈层的磁通量发生大的变化并产生大的感应电流。需指出的是，在高频振动环境中，第二衬底的方形膜结构和第一衬底的悬臂梁结构也会发生振动，并引起第一电感线圈层的磁通量发生变化并产生感应电流。
实施例2
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。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衬底的下表面生长200nm厚度的Si3N4；刻蚀所述第一衬底的下表面的Si3N4，以Si3N4做掩膜使用TMAH(四甲基氢氧化铵)试剂对硅衬底进行湿法刻蚀，形成如450μm深的第一凹槽。
在所述第一绝缘层上方沉积并刻蚀形成第一电感线圈层。具体地，在使用H3PO4溶液去除硅片表面的Si3N4，利用湿法热氧化工艺在衬底的下表面和与该下表面相对的上表面生长1000nm厚的SiO2，其中，在下表面、上表面光刻形成第二绝缘层、第一绝缘层；
在第一衬底的上表面例如使用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；对所述第一衬底的上表面进行选择性各向异性干法刻蚀，释放悬臂梁结构，以形成第一悬臂梁结构；在第一衬底的悬臂梁结构的末端或者其它需要的位置安装第一质量块。
选择500μm厚的N型(100)硅作为第二衬底，例如通过低压化学气相沉积方法在衬底的上表面和下表面生长200nm厚度的Si3N4，以Si3N4做掩膜使用TMAH(四甲基氢氧化铵)试剂，刻蚀所述第二衬底的上、下表面的Si3N4，形成225μm深的第三凹槽结构、第四凹槽结构，所述第三凹槽结构和所述第四凹槽结构间隔残留的所述第二衬底薄膜相对设置，在本实施方式中，所述第二衬底薄膜为方形膜结构，不限于此，还可以是圆柱形或者其它形状；在所述第二衬底的上表面形成的所述第三凹槽内安装永磁体；
选择第三衬底，执行与所述第一悬臂梁结构相同的制备步骤形成第二悬臂梁结构；其中所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；在该第二悬臂梁结构的末端或者其它需要的位置安装第二质量块。
将所述第一衬底的第一凹槽结构正对所述第二衬底的第三凹槽结构、所述第二衬底的第四凹槽结构正对所述第三衬底的第二凹槽结构进行组装，制成电磁式振动能量收集器。例如通过双面对准以及键合或粘合的方法将第一衬底和第二衬底结合在一起以及第二衬底和第三衬底结合在一起，从而完成本发明的能量收集器的制备。
需要说明的是，上述仅作为最优的实施方式进行说明，但是不能理解成对本发明的限制。另外，薄膜的制备还包括溅射工艺或者其它工艺。
与现有技术相比，本发明能量收集器的具有三组不同谐振频率的拾振结构，可以实现对环境中的振动进行宽频带、高效率的拾取，因此，本发明的能量收集器具有高的能量收集效率和高的输出功率；采用两组电感线圈进行能量收集，这进一步提高了收集器的能量收集效率和输出功率；在面积与现有的电磁式能量收集器相比并无明显增加的情况下，本发明的能量收集器还具有结构紧凑、输出功率密度高(W/cm2)的优点，易于实现器件的小型化；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。
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 (10)

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、第二衬底和第三衬底；所述第一衬底、所述第三衬底经刻蚀分别形成第一、第二悬臂梁结构，其中所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽、所述第一凹槽上方为第一悬臂梁结构，所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；
所述第二衬底的上、下表面相对应的位置形成有第三凹槽和第四凹槽，所述第三凹槽和所述第四凹槽之间间隔第二衬底薄膜；所述第三凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第三凹槽相对堆叠，所述第二凹槽与所述第四凹槽相对堆叠；
所述第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一电磁拾振结构，所述第二悬臂梁结构的外侧表面设置有第二电磁拾振结构。
2.根据权利要求1所述电磁式振动能量收集器，其特征在于，还包括设置在所述第一悬臂梁结构末端的第一质量块，和/或还包括设置在所述第二悬臂梁结构末端的第二质量块。
3.根据权利要求1所述电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述第一电磁拾振结构包括设置在所述第一悬臂梁表面的第一电感线圈层；和/或所述第二电磁拾振结构包括设置在所述第二悬臂梁表面的第二电感线圈层。
4.根据权利要求1所述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、所述第三凹槽、所述第四凹槽的表面设置有绝缘层。
5.根据权利要求3所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述第一、第二电感线圈层与所述第一衬底和所述第二衬底之间均设有绝缘层。
6.一种电磁式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，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；
在所述第一衬底与所述下表面相对的上表面沉积并刻蚀形成第一电感线圈层；
刻蚀所述第一衬底的上表面，形成第一悬臂梁结构；
选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的上、下表面，形成第三凹槽结构、第四凹槽结构，所述第三凹槽结构和所述第四凹槽结构间隔残留的第二衬底薄膜相对设置；
在所述第二衬底的上表面形成的所述第三凹槽结构内安装永磁体；
选择第三衬底，执行与所述第一悬臂梁结构相同的制备步骤形成第二悬臂梁结构；其中所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；
将所述第一衬底的第一凹槽结构正对所述第二衬底的第三凹槽结构、所述第二衬底的第四凹槽结构正对所述第三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。
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，还包括以下步骤：
在所述第一凹槽结构、所述第二凹槽结构、所述第三凹槽结构、所述第四凹槽结构表面沉积绝缘层。
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，还包括以下步骤：
在所述第一悬臂梁结构末端、所述第二悬臂梁结构末端安装质量块。
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，所述第一悬臂梁结构和所述第一电感线圈层之间沉积有绝缘层。
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