CN109167531A - 一种基于流致振动的微型能量收集装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于流致振动的微型能量收集装置及其制备方法，包括压电能量收集组件、电磁感应能量收集组件以及基底，压电能量收集组件包括位于基底上的梁支撑层、双向平面螺旋压电梁以及金属质量块，金属质量块位于双向平面螺旋压电梁上，电磁感应能量收集组件包括含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块以及平面螺旋线圈，含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块位于双向平面螺旋压电梁的中间位置，平面螺旋线圈位于基底上且位于含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块的下方。本发明装置厚度不超过2mm，可将其埋入扑翼机羽翼薄膜或仿生鱼尾中，既不影响上述寄主表面的流场动力学性能，配合传统的燃料电池也可增加维持工作的电能，达到全天候能源供给目的。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于流致振动的微型能量收集装置及其制备方法，其属于属仿生材料及智能结构领域。
背景技术：
随着微电子和微电子机械(MEMS)技术的发展，微型机器人包括水下微型仿生鱼和微型飞行器，其在通信、微纳制造和军事工业等领域已经得到了广泛关注和深入研究，但是结构尺度的改变使其研究面临着更大挑战，其中能源供给问题是其迈向实用化的主要瓶颈之一。传统能源供给技术主要有锂电池、微型燃料电池、微型内燃机和太阳能电池，但是其中存在体积大，不能全天候供能等问题，例如IGR公司为MAV研制的高温型燃料电池(SOFC)重13g，输出功率12W，采用这种电池MAV只可连续飞行4h，无法满足长时间工作条件。由于新的微型高能量密度电池目前没有明显突破，采用智能结构能源技术就成为解决此问题的一条有效途径。由于微型放生鱼以及微型扑翼飞行器在其流场环境的表现，利用压电智能结构能量收集技术将环境中流致振动产生的能量转化为电能，将该装置设计应用到扑翼羽翼中或在仿生鱼尾部，既不影响其流场动力学性能；加之配合传统的燃料电池可增加维持微型机器人工作的电能，进而延长其航行时间。
但是由于MEMS压电能量采集器尺寸为微米级，其固有频率一般较高(fe超过1KHz)，而自然界产生的振动，包括流致振动、海波振动属于低频振动(fe小于200Hz),致使该能量采集器无法与外界低频振动形成共振，导致输出功率一般只有微瓦量级。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于流致振动的微型能量收集装置及其制备方法，利用压电薄膜(PVDF)的柔性特点和压电电压常数g31较高的传感特点，代替传统的压电陶瓷(PZT)；采用双向平面螺旋的梁结构低频振动模式，复合螺线圈感应生电原理，结合MEMS表面微机电加工技术制备复合型能量收集器，并将其应用于微型扑翼机及仿生鱼表面。
本发明采用如下技术方案：一种基于流致振动的微型能量收集装置，其埋入扑翼机薄膜羽翼中，包括压电能量收集组件、电磁感应能量收集组件以及基底，所述压电能量收集组件包括位于基底上的梁支撑层、双向平面螺旋压电梁以及金属质量块，所述金属质量块位于双向平面螺旋压电梁上，所述电磁感应能量收集组件包括含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块以及平面螺旋线圈，所述含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块位于双向平面螺旋压电梁的中间位置，平面螺旋线圈位于基底上且位于含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块的下方。
进一步地，所述梁支撑层材料为多晶硅(Si)。
进一步地，所述双向平面螺旋压电梁分为A梁和B梁，其中间层材料为PVDF压电薄膜，PVDF压电薄膜上下表面均为电极层，其材料为Cu。
进一步地，所述金属质量块材料为Cu。
进一步地，所述平面螺旋线圈材料为铜线。
进一步地，所述含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块(9)材料为Si。
本发明还采用如下技术方案：一种基于流致振动的微型能量收集装置的制备方法，其特征在于：步骤如下：
(a)采用低压化学沉积法(LPCVD)在聚四氟乙烯薄膜上表面沉积一层氮化硅薄膜作为基底；
(b)采用低压化学沉积法(LPCVD)在氮化硅(Si3N4)薄膜上沉积一多晶硅层(Si),作为牺牲层；
(c)采用靶共溅射方法，在PVDF压电薄膜上下表面制备Cu金属电极；
(d)通过旋涂的方法在上述多晶硅层上涂一层环氧树脂胶与压电薄膜粘接；
(e)采用离子刻蚀的方法，将步骤(d)层图形化，形成梁支撑层；
(f)采用光刻工艺方法，将步骤(e)中压电薄膜层图形化，形成其双向平面螺旋压电梁8；
(g)采用电镀工艺在步骤(f)中A梁，B梁结构上表面制备金属质量块；
(h)采用环氧树脂胶将含有磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块胶接于A梁，B梁末端之间；
(i)采用电镀方法，在基底上表面并与上述含有磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块下方位置电镀平面螺旋线圈；
(j)清洗聚四氟乙烯薄膜表面区域，该区域即为流致振动能量收集区域；
(k)通过旋涂方式在上述区域旋涂一薄层环氧树脂胶，作为基底与薄膜羽翼之间的粘接剂。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明包含两种不同原理的能量收集方法：其一，根据正压电效应，双向螺旋形PVDF梁结构受外界环境中流致振动作用(主要包括风致振动、液体压力变化)产生谐振，通过放大电路，进而输出电能；其二，根据电磁感应原理，基底上线圈的磁通量在磁性纳米颗粒质量块产生的磁场中发生改变，从而产生感应电，输出电能。这两种方法可同时输出电能，大大提高利用外界环境振动输出电能的利用率。
(2)本发明采用双向螺旋形PVDF梁结构，增加了有效梁长度，从而降其固有频率fe；梁上的质量块可以灵活布置，增大其频率响应带宽；螺旋的圈数(N)和梁的宽度(w)可灵活增加或减小，其规律为：N越大，fe越小；w越小，fe越小。该规律可帮助设计者灵活设计该装置的结构尺寸。
(3)本发明中磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块(Si)可形成稳定磁场，相比传统的永磁体，可通过控制其中磁性纳米颗粒的数量改变磁场强度。
(4)本发明利用MEMS加工技术制备微型能量收集装置，其厚度不超过2mm，可将其埋入扑翼机羽翼薄膜或仿生鱼尾中，利用羽翼振动或鱼尾摆动产生的流致振动将机械能转化为电能，既不影响上述寄主表面的流场动力学性能，配合传统燃料电池也可增加维持工作的电能，进而延长其航行工作时间。
(5)本发明所提供的基于流致振动的微型能量收集装置，可以应用于微型机器人包括水下微型仿生鱼和微型飞行器领域，并为其提供能源供给作用。
附图说明：
图1为基于流致振动的微型能量收集装置在扑翼机应用结构示意图。
图2为基于流致振动的微型能量收集装置结构示意图。
图3为含金属质量块的双向平面螺旋的梁结构平面示意图。
图4为含金属质量块的双向平面螺旋的压电梁振动能量收集装置等效电路图。
图5为PVDF梁末端(含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块)与平面螺旋线圈复合结构示意图。
图6为金属质量块在双向平面螺旋的梁上的柔性布置特点示意图。
图7为基于流致振动的微型能量收集装置工艺流程图。
其中：
1-薄膜羽翼，2-扑翼骨架，3-能量收集装置单元，4-导线，5-多通道放大电路板，6-基底，7-梁支撑层，8-双向平面螺旋压电梁(包括A梁和B梁)，9-含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块，10-金属质量块，11-平面螺旋线圈，12-输出电极，13-环氧树脂层。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明基于流致振动的微型能量收集装置主要应用于微型扑翼机或仿生鱼中，可将其埋入扑翼机薄膜羽翼或仿生鱼尾中，既不影响上述寄主表面的流场动力学性能，又可配合传统的燃料电池增加维持工作的电能，达到全天候的能源供给目的。其中图1为基于流致振动的微型能量收集装置3在扑翼机应用结构示意图，扑翼机包括薄膜羽翼1、扑翼骨架2、导线4以及多通道放大电路板5。其中薄膜羽翼1为聚四氟乙烯，其为扑翼机结构中的羽翼所用材料。基底6与薄膜羽翼1之间通过粘结层材料作为粘接剂进行粘接，粘结层材料为环氧树脂，其固化性能优越并且具有柔性特点；基底6材料为碳化硅(Si3N4)，其绝缘，表面钝化，采用低压化学沉积法(LPCVD)制得基底薄膜，由于该膜的多孔性，其被腐蚀速率快，适合后期的刻蚀。
基于流致振动的微型能量收集装置3包括压电能量收集组件、电磁感应能量收集组件以及基底6，其中压电能量收集组件包括位于基底6上的梁支撑层7、双向平面螺旋压电梁8以及金属质量块10，其中金属质量块10位于双向平面螺旋压电梁8上。其中梁支撑层7材料为多晶硅(Si)，其作为支撑结构可有效的划分上层的梁结构，增加有效梁长度，其同时作为衬底与基底6材料有着良好的兼容性；双向平面螺旋压电梁8分为A梁和B梁，其中间层材料为PVDF压电薄膜，其双向螺旋形结构能有效的降低结构的一阶固有频率(fe)，PVDF薄膜上下表面均为电极层，其材料为Cu；金属质量块10材料为Cu，其作用可放大梁结构受流致振动或表面压强产生的变形，根据压电效应增大电荷的输出，同时可灵活布置其放置位置可降低整体结构的固有频率(fe)。
电磁感应能量收集组件包括含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块9以及平面螺旋线圈11，含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块9位于双向平面螺旋压电梁8的中间位置，平面螺旋线圈11位于基底6上且位于含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块9的下方。平面螺旋线圈11材料为铜线，在基底6上通过电镀的方法即可获得，含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块9主要为Si，可在其周围产生磁场。
上述压电能量收集组件和电磁感应能量收集组件组成后如图2所示，这两种方法可同时输出电能，大大提高利用外界环境振动输出电能的利用率。
双向平面螺旋压电梁8主要包含PVDF压电薄膜和输出电极12，根据正压电效应，双向平面螺旋压电梁8结构受外界环境中流致振动作用(主要包括风致振动、液体压力变化)产生谐振，通过放大电路，进而输出电能。采用双向平面螺旋压电梁8结构，增加了有效梁长度，从而降其固有频率fe。该结构压电梁装置的固有频率为：
式中，m为双向平面螺旋压电梁8，金属质量块10和含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块9的质量之和；K为该结构的刚度系数。
结合Euler-Bernoulli梁理论，将上述结构的压电能量收集组件等效为一个直流电压源与电容串联的电路(如图4所示)，给定外接电阻RL，电阻两端的电压为VR，则RL消耗的功率即为压电能量收集组件的有效输出功率P，上述压电能量收集组件在谐振状态下的最大的输出功率为：
式中w为压电梁宽度，l为双向螺旋形等效梁长度，hp为PVDF压电层厚度，ε为介电常数，ωn共振频率，d31为压电系数，Ep杨氏模量，a0为加速度幅值，yp为压电层中面相对于中性面的距离，ζ为梁结构阻尼比，lm金属质量块长度。根据(1)和(2)式，可以获得该压电能量收集组件的谐振频率和最大输出功率，可灵活设计能适应不同流致振动下的能量采集器。
电磁感应能量收集组件，如图5所示，中间的含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块9同时随梁结构振动，其穿过基底6上平面螺旋线圈11的磁通量发生改变，根据法拉第电磁感应定律，此时平面螺旋线圈11产生感应电动势，进而通过电路输出功率。
金属质量块10梁表面布置案例，如图6所示，梁上的金属质量块10可以灵活布置，增大其频率响应带宽；螺旋的圈数(N)和梁的宽度(w)可灵活增加或减小，其规律为：N越大，fe越小；w越小，fe越小。该规律可帮助设计者灵活设计该装置的结构尺寸。
当双向平面螺旋压电梁受外界环境作用(包括空气振动或流场压强变化)时，其受迫产生的振动频率接近其固有频率，此时将发生谐振，根据正压电效应，流致振动产生的机械能转化为输出电荷通过放大电路转化为电压，最终产生电能；其中间的磁性质量块同时随梁结构振动，其穿过基底上平面螺旋线圈11的磁通量发生改变，根据法拉第电磁感应定律，此时平面螺线圈产生感应电动势，进而通过电路输出功率。
本发明基于流致振动的微型能量收集装置的制备方法，其步骤如下：
(a)采用低压化学沉积法(LPCVD)在聚四氟乙烯薄膜上表面沉积一层氮化硅薄膜作为基底；
(b)采用低压化学沉积法(LPCVD)在氮化硅(Si3N4)薄膜上沉积一多晶硅层(Si),其有较高的刻蚀选择比，作为牺牲层；
(c)采用靶共溅射方法，在PVDF压电薄膜上下表面制备Cu金属电极；
(d)通过旋涂的方法在上述多晶硅层上涂一层环氧树脂胶与压电薄膜粘接；
(e)采用离子刻蚀的方法，将步骤(d)层图形化，形成梁支撑层7；
(f)采用光刻工艺方法，将步骤(e)中压电薄膜层图形化，形成其双向平面螺旋压电梁8(A梁和B梁)；
(g)采用电镀工艺在步骤(f)中A，B梁结构上表面制备金属质量块10(可灵活布置其放置位置可降低整体结构的固有频率)；
(h)采用环氧树脂胶将含有磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块(Si)胶接于A，B梁末端之间；
(i)采用电镀方法，在基底上表面并与上述含有磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块下方位置电镀平面螺旋线圈11；
(j)清洗聚四氟乙烯薄膜表面区域，该区域即为流致振动能量收集区域；
(k)通过旋涂方式在上述区域旋涂一薄层环氧树脂胶，作为基底与薄膜羽翼之间的粘接剂。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于流致振动的微型能量收集装置，其埋入扑翼机薄膜羽翼中，其特征在于：包括压电能量收集组件、电磁感应能量收集组件以及基底(6)，所述压电能量收集组件包括位于基底(6)上的梁支撑层(7)、双向平面螺旋压电梁(8)以及金属质量块(10)，所述金属质量块(10)位于双向平面螺旋压电梁(8)上，所述电磁感应能量收集组件包括含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块(9)以及平面螺旋线圈(11)，所述含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块(9)位于双向平面螺旋压电梁(8)的中间位置，平面螺旋线圈(11)位于基底(6)上且位于含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块(9)的下方。
2.如权利要求1所述的基于流致振动的微型能量收集装置，其特征在于：所述梁支撑层(7)材料为多晶硅(Si)。
3.如权利要求2所述的基于流致振动的微型能量收集装置，其特征在于：所述双向平面螺旋压电梁(8)分为A梁和B梁，其中间层材料为PVDF压电薄膜，PVDF压电薄膜上下表面均为电极层，其材料为Cu。
4.如权利要求3所述的基于流致振动的微型能量收集装置，其特征在于：所述金属质量块(10)材料为Cu。
5.如权利要求4所述的基于流致振动的微型能量收集装置，其特征在于：所述平面螺旋线圈(11)材料为铜线。
6.如权利要求5所述的基于流致振动的微型能量收集装置，其特征在于：所述含磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块(9)材料为Si。
7.一种如权利要求1所述的基于流致振动的微型能量收集装置的制备方法，其特征在于：步骤如下：
(a)采用低压化学沉积法(LPCVD)在聚四氟乙烯薄膜上表面沉积一层氮化硅薄膜作为基底；
(b)采用低压化学沉积法(LPCVD)在氮化硅(Si3N4)薄膜上沉积一多晶硅层(Si),作为牺牲层；
(c)采用靶共溅射方法，在PVDF压电薄膜上下表面制备Cu金属电极；
(d)通过旋涂的方法在上述多晶硅层上涂一层环氧树脂胶与压电薄膜粘接；
(e)采用离子刻蚀的方法，将步骤(d)层图形化，形成梁支撑层(7)；
(f)采用光刻工艺方法，将步骤(e)中压电薄膜层图形化，形成其双向平面螺旋压电梁(8)；
(g)采用电镀工艺在步骤(f)中A梁，B梁结构上表面制备金属质量块(10)；
(h)采用环氧树脂胶将含有磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块胶接于A梁，B梁末端之间；
(i)采用电镀方法，在基底上表面并与上述含有磁性纳米颗粒的有机聚合物质量块下方位置电镀平面螺旋线圈(11)；
(j)清洗聚四氟乙烯薄膜表面区域，该区域即为流致振动能量收集区域；
(k)通过旋涂方式在上述区域旋涂一薄层环氧树脂胶，作为基底与薄膜羽翼之间的粘接剂。
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2018
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