CN109217730A - 一种基于桥架式mpeg的微型自供能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于桥架式MPEG的微型自供能装置，其特征在于，包括：具有硅基的压电结构和通过耦合桥架耦合到压电结构下方的用于容纳检验质量块的框架；压电结构包括硅基、置于硅基上的上电极和下电极以及夹在上电极和下电极之间的产生电能的压电膜；框架具有预设尺寸的开口腔，检验质量块位于开口腔内通过耦合桥架耦合到硅基底面；微型自供能装置还包括分别与上电极和下电极连接的上电极垫和下电极垫，上电极垫和下电极垫通过细导线连接到框架的导线引出部上将电能输送到自供能装置外的外接设备上。本发明通过压电膜响应机械应变而产生电能以及检验质量块控制对振动频率的响应，有效利用外部振动产生电能，具有结构简单，实用性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及自供能技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于桥架式MPEG的微型自供能装置，该装置利用振动产生电能，可为微型用电设备，如微型传感器等提供能源。
背景技术
无线传感器网络是由大量部署在作用区域内的利用无线通讯互相连接的大量传感器节点组成的网络系统。随着传感器技术、无线通讯技术、微电子技术和嵌入式应用技术的日趋成熟，无线传感器网络迅速发展。利用无线传感器网络，可以实现对所部署区域内的物理状况、环境状况、生物信息等的监测。由于无线传感器网络可以快速部署，并且有自组织，高容错率和强隐蔽性的优点，无线传感器网络可适用于海洋探测、环境监测、船舶监测等应用场合。
目前使用的无线传感器网络主要是使用电池作为电源来工作的，由于无线传感器网络节点具有体积小、数量众多、分布范围广泛、工作环境复杂的特点，通过定期更换电池来维持传感器网络的持续工作并不现实，因此，电池的续航能力成为限制无线传感器网络节点工作寿命的主要因素。通常，需要定期更换传感器的电池，以便传感器能够维持正常工作，更换传感器电池的过程中，整个传感器需要重新拆卸连接，从而导致修理成本高、电池寿命缩短、高温和环境污染等问题。
另外，随着医学的发展，心脏起搏器、人工耳蜗以及生物传感器等植入体内的医疗设备被广泛应用于医疗领域，并逐渐开始应用于疾病的检测和预防。一般这些医疗设备也是使用电池供电的，电池的容量成为限制这些医疗设备寿命的主要因素。在电池电量用尽之后，只能通过手术的方式对设备进行更换。这种方式提高了医疗设备使用成本的同时也增加了使用风险。因此，近年来，社会各界对自供能传感器的需求不断增加。
目前，微型自供能装置的供能方式主要有太阳能发电、温差发电、压电发电、化学能电池和燃料电池。利用化学能电池和燃料电池一次性供电电池寿命短，而利用太阳能、温差、振动能等环境能为微系统提供能量可以实现长期供电，具有功率密度不随时间的长短而发生变化的特点。利用环境中的余热或废热造成的温度差以及环境中的机械能(如振动、冲击、旋转力、惯性力、压力和流体流动)，可以分别采用热电材料和压电材料在不使用外部电源的情况下实现简单的能量转换结构，为微型传感器节点供电。
综上，有必要提供一种微型压电发电装置在振动环境中可以发挥显著效果。船舶在正常航行时，船舶内部具有较多高频振动部件，如甲板、柴油机、空调系统、分油机等，可为MPEG装置提供充足的振动源。高频振动部件可为微型压电发电装置提供充足的振动源。随着船舶工业4.0的推近，微型压电发电装置可为智能船舶上布置的微型传感器网络节点提供电能，促进无人船舶的早日实现，推动我国海洋强国战略的进一步实施。
发明内容
根据上述提出传感器或小型医用器械由于更换电池而导致的拆卸繁复，修理成本高，亦或者在高温条件下存在环境污染等技术问题，而提供一种基于桥架式MPEG的微型自供能装置。本发明主要利用在具有硅基的压电结构下方，通过耦合桥架将检验质量块耦合在硅基底面，同时耦合有用于容纳检验质量块的框架。压电结构的压电膜用于响应机械应变的变化而产生电能，检验质量块用于控制振动频率的响应特性，从而有效利用外部振动产生电能。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于桥架式MPEG的微型自供能装置，其特征在于，包括：具有硅基的压电结构和通过耦合桥架耦合到所述压电结构下方的、用于容纳检验质量块的框架；
所述压电结构包括硅基、置于所述硅基上的构成一对电极的上电极和下电极以及夹在所述上电极和下电极之间的产生电能的压电膜；
所述框架具有预设尺寸的开口腔，所述检验质量块位于所述开口腔内通过所述耦合桥架耦合到所述硅基底面；
所述微型自供能装置还包括分别与所述上电极和所述下电极连接的上电极垫和下电极垫，所述上电极垫和所述下电极垫通过细导线连接到所述框架的导线引出部上将电能输送到自供能装置外的外接设备上。
进一步地，所述压电结构至少为1个，所述检验质量块的数量与所述压电结构相匹配。
进一步地，当所述压电结构为2个以上时，所述压电结构呈阵列式排布，所述框架通过多个耦合桥架与多个所述压电结构的硅基底面耦合，多个所述检验质量块位于所述框架的开口腔内，悬挂压电结构阵列。多个所述压电结构的硅基底面耦合到框架上构成桥架式结构。
进一步地，所述检验质量块的材质为无机材料、有机材料或有机材料与无机材料组成的复合材料。
进一步地，所述检验质量块的材质为玻璃、金属、陶瓷、橡胶、塑料中的一种或一种以上的组合。
进一步地，所述压电膜的材质为氮化铝。
进一步地，框架的材质为PCB、陶瓷、玻璃、金属、塑料、硅或其混合物中的一种或一种以上的组合。
进一步地，所述上电极垫、所述下电极垫和所述上电极均由导电材料制成。
较现有技术相比，本发明的微型自供能装置中，压电膜置于上下电极之间，用于响应机械应变的变化而产生电能；检验质量块的主要作用是控制对外部振动频率的响应特性，而使用单一材质的检验质量块难以响应外部不同的振动频率并且容易使装置受到冲击，因此本发明选用将钨、铜、不锈钢、硅等材料耦合到检验质量块上制造各种频带作为功率源，从而有效地利用外部振动产生电能。
综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中更换电池过程中产生的诸多弊端，通过机械振动产生电能供给外部设备用电，大大提高了供电的续航能力，具有结构简单，制作成本低，实用性强等优点，基于上述理由本发明可在微型传感器供电领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于桥架式MPEG的微型自供能装置的结构示意图。
图2为图1沿C-C向的示意图。
图3为本发明具有多个压电结构的微型自供能装置的结构示意图。
图中：1、上电极；2、压电膜；3、下电极；4、硅基；5、框架；6、导线引出部；7、接触窗；8、下电极垫；9、细导线；10、耦合桥架；11、开口腔；12、检验质量块；13、上电极垫；14、压电结构。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1、图2所示，本发明提供了一种基于桥架式MPEG的微型自供能装置，包括：具有硅基的压电结构14和通过耦合桥架10耦合到所述压电结构14下方的、用于容纳检验质量块12的框架5；所述压电结构14包括硅基4、置于所述硅基4上的构成一对电极的上电极1和下电极3以及夹在所述上电极1和下电极3之间的产生电能的压电膜2，压电膜2通过压电转换将施加到压电结构的机械应变变化转化为电能，压电膜2由氮化铝膜制成，其厚度为1μm。
所述框架5具有预设尺寸的开口腔11，所述检验质量块12位于所述开口腔11内通过所述耦合桥架10耦合到所述硅基4底面，所述检验质量12的作用是控制装置对振动频率的响应特性；
所述微型自供能装置还包括上电极垫13和下电极垫8，它们的端部分别与所述上电极1和所述下电极3连接，并将由所述上电极1和所述下电极3收集的电能输送到外部。所述上电极垫13和所述下电极垫8通过细导线9连接到所述框架5的导线引出部6上将电能输送到自供能装置外的外接设备上，如微型传感器。
具体地，本发明中的硅基4作为压电结构14的基本支撑体，具有特定的宽度W、长度L和厚度T。对外部振动的频率响特性应主要取决于硅基4的宽度W、长度L、厚度T和质量以及检验质量块12的位置。特别地，可以通过控制检验质量块12的质量M来改变频率特性。如果检验质量块12由钨等重金属材料制成，即使检验质量块的尺寸很小，也可以实现具有低频响应特性的微型自供能装置。检验质量块的材质为无机材料(玻璃、金属、陶瓷等)、有机材料(橡胶、塑料等)、或有机与无机复合材料。
框架5悬挂压电结构14，当发生外部振动时，允许压电结构14响应外部振动而机械地自由移位。框架5包括具有特定宽度A、长度B和深度H的开口腔11，以限制压电结构14的最大位移。通常，使框架5的高度H大于检验质量块12的高度，检验质量块12响应外部振动而充分移动。框架5可以由印刷电路板(PCB)、陶瓷、玻璃、金属、塑料、硅材料及其混合物中的至少一种制成。并且，在框架5的顶面可以引出多个导线引出部6，使得导线很容易通过压电结构14的下电极垫8和上电极垫13连接到外部电路。
硅基4上的下电极3和上电极1具有单层或多层导电膜，压电膜2插在它们之间，形成一对相互隔离的下电极3和上电极1。下电极3和上电极1依靠绝缘膜与硅基4电绝缘。下电极3和上电极1都响应机械应变变化通过压电转换来收集压电膜2产生的电荷。
下电极垫8的一端通过接触窗7连接到下电极3，上电极垫13的一端连接到上电极1。下电极垫8和上电极垫13通过细导线9将上电极1和下电极3收集的电荷输送到外部电路，并与硅基4绝缘。下电极垫8和上电极垫13以及上电极1均由导电材料制成。
如上所述，在本发明中，由于硅基4底面耦合到了具有开口腔11的框架5上，所以框架5可以悬挂压电结构14，由此压电结构14可以响应外部振动而产生机械位移。对应于机械位移的机械应变可以施加到压电膜2上。下电极3与上电极1之间的压电膜2产生的电荷由下电极垫8和上电极垫13通过细导线9收集并输出到外部电路，船舶传感网络微型自供能装置发电。
如图3所示，基于桥架式MPEG的微型自供能装置可以将多个压电结构14耦合并悬挂到同一个框架5上。压电结构14的特性与图1和图2所描述的相同。通过适当地设计压电结构14的宽度W和长度L以及检验质量块12的质量M1到Mn来控制微型自供能装置对外部振动的响应特性。
在压电结构14中，两个下电极垫8和上电极垫13通过细导线9连接到框架5的两个导线引出部6上，压电结构14可以并联或串联。
本发明的结构可采用如下过程制备而成：
接触窗7是通过反应离子刻蚀或使用四甲基氢氧化铵(TMAH)或磷酸(HPO)溶液的湿法刻蚀方法来图案化压电膜以覆盖微型自供能装置元件的有效面积，形成与下电极3接触的窗口。
通过化学机械抛光，使硅衬底的底表面变薄而形成具有特定厚度T的硅基4。
检验质量块12通过接合过程耦合到压电结构14的硅基4底面。例如，在绝缘或导电的粘接材料被滴到硅基4之后，检验质量块12被粘接并在适当的温度下热处理以硬化和固定。或者，通过印刷工艺，可以直接在硅基4的底面上接合由有机/无机材料混合物制成的检验质量块12。
压电结构14耦合到框架5是通过固定硅基4的底面部分构成动态机构。例如，在粘接材料被滴定到硅基4之后，硅基4的部分底面通过粘接工艺连接到具有开口腔11的框架5的上表面，然后在适当的温度下进行热处理。在适当的条件下，进行加强和固定。由于已经在框架5表面预留了导线引出部6，方便了压电结构14的上电极1和下电极3与外部电路的连接。
接下来，通过模具分离部件单独分离模具，使得压电结构14通过模具分离凹部而具有特定的宽度W和特定长度L。因此，制造的多个微型自供能装置，每个微型自供能装置都具有悬挂的压电结构14。
接着，通过引线键合工艺连接到框架5表面预先留出的导线引出部6，使用细导线9来连接压电结构14的上电极垫13和下电极垫8。如图2所示，细导线9已经连接时的微型自供能装置。
本发明的基于桥架式MPEG的微型自供能装置，可以通过半导体图案化工艺，化学机械抛光，引线键合工艺，以及模具分离工艺，很容易地制成微型自供能装置的主要功能元件。因此，可以减少微型自供能装置的制造成本。
由于微型自供能装置结构和基本封装结构易于耦合，制造成本得以降低。
实施例1
以硅基4的尺寸为10x20x0.1mm3为例，一端的检验质量块12的尺寸为10x10x0.55mm3。有效电极部分的尺寸为5x8mm2。微型自供能装置Z轴方向的加速度为1G的谐振频率是278.5赫兹，在1Mohm的负载电阻下的输出电压为3.2V，而在rms中计算出的发电功率为1.3μW。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种基于桥架式MPEG的微型自供能装置，其特征在于，包括：具有硅基的压电结构(14)和通过耦合桥架(10)耦合到所述压电结构(14)下方的、用于容纳检验质量块(12)的框架(5)；
所述压电结构(14)包括硅基(4)、置于所述硅基(4)上的构成一对电极的上电极(1)和下电极(3)以及夹在所述上电极(1)和下电极(3)之间的产生电能的压电膜(2)；
所述框架(5)具有预设尺寸的开口腔(11)，所述检验质量块(12)位于所述开口腔(11)内通过所述耦合桥架(10)耦合到所述硅基(4)底面；
所述微型自供能装置还包括分别与所述上电极(1)和所述下电极(3)连接的上电极垫(13)和下电极垫(8)，所述上电极垫(13)和所述下电极垫(8)通过细导线(9)连接到所述框架(5)的导线引出部(6)上将电能输送到自供能装置外的外接设备上。
2.根据权利要求1所述的基于桥架式MPEG的微型自供能装置，其特征在于，所述压电结构(14)至少为1个，所述检验质量块(12)的数量与所述压电结构(14)相匹配。
3.根据权利要求2所述的基于桥架式MPEG的微型自供能装置，其特征在于，当所述压电结构(14)为2个以上时，所述压电结构(14)呈阵列式排布，所述框架(5)通过多个耦合桥架(10)与多个所述压电结构(14)的硅基(4)底面耦合，多个所述检验质量块(12)位于所述框架(5)的开口腔(11)内，悬挂压电结构阵列。
4.根据权利要求1-3任意一项权利要求所述的基于桥架式MPEG的微型自供能装置，其特征在于，所述检验质量块(12)的材质为无机材料、有机材料或有机材料与无机材料组成的复合材料。
5.根据权利要求4所述的基于桥架式MPEG的微型自供能装置，其特征在于，所述检验质量块(12)的材质为玻璃、金属、陶瓷、橡胶、塑料中的一种或一种以上的组合。
6.根据权利要求4所述的基于桥架式MPEG的微型自供能装置，其特征在于，所述压电膜(2)的材质为氮化铝。
7.根据权利要求4所述的基于桥架式MPEG的微型自供能装置，其特征在于，框架(5)的材质为PCB、陶瓷、玻璃、金属、塑料、硅或其混合物中的一种或一种以上的组合。
8.根据权利要求4所述的基于桥架式MPEG的微型自供能装置，其特征在于，所述上电极垫(13)、所述下电极垫(8)和所述上电极(1)均由导电材料制成。
Priority Applications (1)
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| CN201811210562.3A CN109217730A (zh) | 2018-10-17 | 2018-10-17 | 一种基于桥架式mpeg的微型自供能装置 |
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US20130127295A1 (en) * | 2011-11-21 | 2013-05-23 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Piezoelectric micro power generator and fabrication method thereof |
| JP2013158138A (ja) * | 2012-01-30 | 2013-08-15 | Shoji Shimazaki | 圧電発電装置 |
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2018
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Patent Citations (2)
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