CN109302099A - 一种基于桥架式mpeg和mteg的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置，由顶部的MTEG结构和底部的桥架式MPEG结构耦合构成，且通过刚性连接架连接固定，其特征在于，顶部的MTEG结构包括微型温差发电装置和设置在所述微型温差发电装置上部的相变储热装置，在由P、N型微型热电臂构成的热电偶两端分别设有顶部真空腔和底部真空腔；底部的桥架式MPEG结构包括压电结构和通过耦合桥架耦合到压电结构上方的、用于容纳检验质量块的微型压电发电结构框架。本发明的真空腔可以有效地避免由环境空气和衬底上方造成的热量损失，提高冷热端结点之间的温差。同时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。

Description

一种基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微 型自供能装置
技术领域
本发明涉及温差发电自供能技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置，可应用于智能船舶传感网络、海洋能回收、海洋智能传感网络等领域。
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，微型温差发电装置在具有稳定温度差的环境中可以发挥显著效果，微型压电发电装置在振动环境中可以发挥显著效果，而船舶在正常航行时，船舶内部不但具有较多高温热源，如柴油机排出的废气、高温蒸汽、高温缸套水等，还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。这些高温热源与机舱内的温度差可为MTEG装置提供充足的温度差。高频振动部件可为微型压电发电装置提供充足的振动源。同时，随着船舶工业4.0的推近，微型温差发电装置和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，因此，有必要提供一种集两者优点于一体的自供能装置，推动我国海洋强国战略的进一步实施。
发明内容
根据上述提出现有传感器在更换电池时需要重新拆卸连接而导致修理成本高、电池寿命缩短、高温和环境污染等技术问题，而提供一种基于桥架式 MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置。本发明主要采用顶部为MTEG结构，利用新型双真空腔结构以管理热流路径来获得热电材料冷热端最大温差，从而提高了温差发电效率，能量转换率高；底部为桥架式MPEG结构，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。通过桥架式MPEG和MTEG 自供能装置互相互补，可同时利用太阳能和振动能发电。以智能船舶应用为例，本发明的装置利用太阳能以及船舶机舱中的振动能产生电能，为船舶微型传感器提供电力，实现船舶传感网络自供能。同时采用了一种新型双真空腔结构以管理热流路径来获得热电材料冷热端的最大温差，提高了微型温差发电效率。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置，由顶部的MTEG结构和底部的桥架式MPEG结构耦合构成，所述顶部的MTEG结构和所述底部的桥架式MPEG结构通过刚性连接架连接固定，其特征在于，
顶部的MTEG结构包括：微型温差发电装置和设置在所述微型温差发电装置上部的相变储热装置，其中，所述微型温差发电装置包括微型温差发电结构硅基、所述微型温差发电结构硅基底部沉积的多晶硅衬底层、沉积在所述多晶硅衬底层底部的多个成阵列排布的P型微型热电臂和N型微型热电臂，在由所述P型微型热电臂和所述N型微型热电臂构成的热电偶两端分别设有顶部真空腔和底部真空腔，所述P型微型热电臂的冷端结点和所述N型微型热电臂的冷端结点与所述底部真空腔的内侧壁接触，所述底部真空腔下还设有用于散热的保护金属层；
底部的桥架式MPEG结构包括：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上方的、用于容纳检验质量块的微型压电发电结构框架；所述压电结构包括微型压电发电结构硅基、置于所述微型压电发电结构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薄膜；所述微型压电发电结构框架具有预设尺寸的微型压电发电结构空腔，所述检验质量块位于所述微型压电发电结构空腔内通过所述耦合桥架耦合到所述微型压电发电结构硅基上端面；所述桥架式MPEG结构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微型压电发电结构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。
上述结构中，在热电偶两端设置的顶部真空腔和底部真空腔，这两个真空腔可以有效地避免由环境空气和衬底上方造成的热量损失，以最大限度地提高冷热端结点之间的温差。底部真空腔下的保护金属层，该保护金属层起到散热作用，可加快冷端结点的散热。优选地，可在装置周围区域设置外围腔，其作用是避免邻近微型温差发电装置的硅基向冷端结点传递热量。
进一步地，所述相变储热装置的冷端与设置在其上的太阳能吸收薄膜相连，所述相变储热装置的热端与所述微型温差发电结构硅基相连；所述相变储热装置的外侧设有一个将其包裹在内的密闭腔室；所述密闭腔室由设置在所述微型温差发电装置顶部的透光材料、所述微型温差发电结构硅基的上表面和连接所述透光材料两端的侧壁保温材料构成。
进一步地，所述密闭腔室为长方体或其它规则立方体；所述侧壁保温材料由导热率低的材料构成，如岩棉、弹性泡沫等。
进一步地，所述相变储热装置和微型温差发电结构硅基上表面之间、所述相变储热装置和所述太阳能吸收薄膜之间、所述相变储热装置内部均填充有导热材料，如导热硅胶、导热硅脂等，所述透光材料采用高透光率的材料，如树脂基透光复合材料等；所述太阳能吸收薄膜采用基体与金属-电介质复合涂层、光干涉型涂层相结合的薄膜或其它太阳光吸收率高、发射率低的太阳能吸收薄膜。
进一步地，每个所述P型微型热电臂和所述N型微型热电臂的上下端面均置于所述底部真空腔和所述顶部真空腔之间，其中，所述P型微型热电臂的热端结点和所述N型微型热电臂的热端结点所在的上部端面通过所述多晶硅衬底层与所述微型温差发电结构硅基相接。
进一步地，所述多晶硅衬底层作为热电层是在所述微型温差发电结构硅基底部上沉积的0.6～0.8μm厚的多晶硅形成的；分别向多晶硅中注入 180keV和80keV能量获得N型和P型的微型热电臂；通过分别蚀刻硅基和无掺杂硅晶体形成顶部和底部真空腔，所述顶部真空腔的内侧壁通过2.8～3.2 μm厚的低应力纯净硅酸盐晶体层密封；在冷端结点上设有0.8～1.2μm厚的氧化物作为绝缘层，其作用是使冷端结点绝缘的同时更容易被周围的空气冷却；所述保护金属层作为散热层是由0.6～0.8μm厚的铝沉积而成。
进一步地，所述检验质量块的材质为无机材料，如玻璃、金属、陶瓷等，有机材料(如橡胶、塑料凳)或有机材料与无机材料组成的复合材料；所述压电薄膜的材质为氮化铝。
进一步地，所述微型压电发电结构框架的材质为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。
在本发明中，热量从装置的底部向顶部传递，为了在微型热电偶的冷热结点之间获得较大的温差，需要引导热流，使热流沿微型热电偶的纵向流动，减少热量损失。相较于现有技术中的结构，本发明增强了装置底部的绝热能力，避免环境空气冷却热端结点。当装置表面具有较高的对流系数时，由底部的空气对流引起的热损失更加严重。
本发明所提出的微型温差发电装置中，采用了一种双腔结构来优化热流路径，减少热量损失。每个微型热电臂都嵌入在底部和顶部真空腔之间。底部真空腔保护热端结点不被空气对流冷却。相反，冷端结点与底部真空腔的内壁相接并与保护金属层相接，间接地使其暴露在环境空气中。底部和顶部空腔都采用高真空度密封，其作用是减少经由于空气传导和对流造成的热损失。通过这样的设计，平面热电偶在竖直方向上可获得较高的温度差。此外，保护金属层覆盖在装置的下表面，作为散热层，该保护金属层覆盖在整个设备表面，其作用是使装置能够有效地将热量从冷端结点释放到周围空气中，进而扩大整个装置内部的温差。
本发明的微型压电发电装置中，压电薄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。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明微型温差发电装置通过顶部真空腔和底部真空腔来管理热流并使热电偶的两个结点之间的温差最大化。
2、本发明微型温差发电装置在装置的冷端贴合了保护金属散热层，从而高效地将热量从装置的冷端散发到周围空气中。
3、本发明微型温差发电装置设置外围腔以切断来自周围硅衬底的热量，避免在微型温差发电装置边缘处的微型热电偶的冷端结点吸收周围硅基的热量。
4、本发明微型压电发电装置响应机械应变及时且对外部振动频率可控，有效产生电能。
5、本发明的微型温差发电装置和微型压电自供能装置相互补充，有机结合，可同时利用太阳能和振动能发电，能量转换效率较高。
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，通过温差发电和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和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置的结构示意图。
图2为图1中A处的局部放大图。
图3为本发明基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置热电偶排列的示意图。
图中：1、透光材料；2、太阳能吸收薄膜；3、相变储热装置；4、微型温差发电结构硅基；5、顶部真空腔；6、多晶硅衬底层；7、P型微型热电臂；8、N型微型热电臂；9、检验质量块；10、耦合桥架；11、导线引出部；12、细导线；13、下电极垫；14、接触窗；15、侧壁保温材料；16、冷端结点；17、热端结点；18、底部真空腔；19、保护金属层；20、固定螺栓；21、刚性连接架；22、微型压电发电结构框架；23、微型压电发电结构空腔；24、微型压电发电结构硅基；25、上电极；26、压电薄膜；27、下电极；28、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1-3所示，本发明提供了一种基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置，由顶部的MTEG结构和底部的桥架式 MPEG结构耦合构成，以应用于船舶传感网络为例，通过刚性连接架21连接微型温差发电结构和桥架式微型压电发电结构，使之构成刚性结构。并利用固定螺栓20将微型压电发电装置与船舷两侧连接。微型压电发电装置下电极27与船舶甲板表面接触，通过微型压电发电装置利用甲板振动能发电。同时微型温差发电装置的太阳能吸收薄膜2收集太阳能并将其转化为热能，储存在相变储能装置3中，相变储能装置3作为微型温差发电装置的热源，使微型温差发电装置产生电能。上、下两部分结构产生的电能通过导线引出部11和细导线12向外输送，为微型传感器网络供电。
顶部的MTEG结构包括：微型温差发电装置和设置在所述微型温差发电装置上部的相变储热装置3，其中，所述微型温差发电装置包括微型温差发电结构硅基4、所述微型温差发电结构硅基4底部沉积的多晶硅衬底层6、沉积在所述多晶硅衬底层6底部的多个成阵列排布的P型微型热电臂7和N型微型热电臂8，在由所述P型微型热电臂7和所述N型微型热电臂8构成的热电偶两端分别设有顶部真空腔5和底部真空腔18，这两个真空腔可以有效地避免由环境空气和衬底上方造成的热量损失，以最大限度地提高冷热端结点之间的温差。所述P型微型热电臂7的冷端结点和所述N型微型热电臂8 的冷端结点与所述底部真空腔18的内侧壁接触，所述底部真空腔18下还设有用于散热的保护金属层19，该保护金属层起到散热作用，可加快冷端结点 16散热。在装置周围的外围腔(图中未示出)，其作用是避免邻近微型自供能装置的硅基向本微型温差发电装置冷端结点传递热量。
在发明的基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置中，太阳能吸收薄膜2收集太阳能并将其转换为热能储存到相变储热装置3中，作为微型温差发电结构的热源，保护金属层19侧作为热沉层与周围空气相接触。微型热电偶利用冷端结点16、热端结点17之间的温差产生电能，产生的电能通过导线引出部11向外输送并为微型传感器网络节点供电。
考虑到薄膜技术热电材料厚度的要求，本发明将薄膜热电偶设置在多晶硅衬底层6的下表面。多晶硅衬底层6作为热电结构的基本支撑体，具有特定的宽度W1、长度L1和厚度T1。
由于热量从微型温差发电装置的顶部向底部传递，为了在微型热电偶的冷端结点16、热端结点17之间获得较大的温差，需要引导热流，使热流沿微型热电偶的纵向流动，减少热量损失。相较于现有技术，本发明增强了 MTEG结构底部的绝热能力，避免环境空气冷却热端结点17。本发明提供的微型温差发电装置中，引入顶部真空腔5和底部真空腔18来优化热流路径，减少热量损失。
图1中上半部分的结构所示，所述相变储热装置3的冷端与设置在其上的太阳能吸收薄膜2相连，所述相变储热装置3的热端与所述微型温差发电结构硅基4相连；所述相变储热装置3的外侧设有一个将其包裹在内的密闭腔室；所述密闭腔室由设置在所述微型温差发电装置顶部的透光材料1、所述微型温差发电结构硅基4的上表面和连接所述透光材料1两端的侧壁保温材料构成。所述密闭腔室为长方体或其它规则立方体；所述侧壁保温材料由导热率低的材料构成。
所述相变储热装置3和微型温差发电结构硅基4上表面之间、所述相变储热装置3和所述太阳能吸收薄膜2之间、所述相变储热装置3内部均填充有导热材料，如导热硅胶、导热硅脂等，所述透光材料1采用高透光率的材料，如树脂基透光复合材料等；所述太阳能吸收薄膜2采用基体与金属-电介质复合涂层、光干涉型涂层相结合的薄膜或其它太阳光吸收率高、发射率低的太阳能吸收薄膜。
如图2所示，每个所述P型微型热电臂7和所述N型微型热电臂8的上下端面均置于所述底部真空腔18和所述顶部真空腔5之间，底部真空腔18 保护热端结点17不被空气对流冷却。相反，冷端结点16暴露在周围空气中。其中，所述P型微型热电臂7的热端结点和所述N型微型热电臂8的热端结点所在的上部端面通过所述多晶硅衬底层6与所述微型温差发电结构硅基4相接。顶部和底部空腔都采用高真空度密封，其作用是减少经由于空气传导和对流造成的热损失。通过这样的设计，平面热电偶在竖直方向上可获得较大的温度差。此外，薄膜金属层19覆盖在MTEG结构底部真空腔的下表面，作为散热层，其作用是使装置能够有效地将热量从冷端释放到周围空气中，进而扩大整个装置内部的温差，提高发电效率。
由于多晶硅衬底层6热导率较高，对于位于装置边缘的热电偶，邻近微型温差发电装置的硅衬底温度高于冷端结点处的温度，将导致相邻微型自供能装置硅衬底中的热量传递给本装置的冷端结点。使得冷热端结点之间温差降低，降低发电效率。在发明的基于桥架式MPEG和MTEG的多能互补的微型自供能装置中，在微型自供能装置周围设有外围腔，可以将冷端结点与周围微型自供能装置的硅基隔离开，避免位于装置边缘的微型热电偶受到周围硅基热量的影响。
本发明微型温差发电装置通过如下方法制得：
首先，用低压化学气相沉积法在微型温差发电结构硅基4上沉积0.6～0.8 μm厚的多晶硅衬底层6作为热电层。然后，对多晶硅衬底层6进行干法刻蚀，获得热电臂图形。再向聚硅层用不同的能量分别注入磷和硼以生成N型微型热电臂8和P型微型热电臂7。
沉积铝层将P型和N型热电臂串联。为了优化传感器网络微型自供能装置内的热通量方向，创建底部真空腔18和顶部真空腔5。通过SF6和C4F8气体，利用深度反应离子刻蚀方法在微型温差发电结构硅基4上刻蚀深度为 14～16μm的凹槽，然后用SF6对凹槽内部进行各向同性刻蚀，以除去凹槽之间的硅并产生顶部真空腔5。然后，用2.8～3.2μm厚的低应力纯净硅酸盐晶体密封顶部真空腔5。
为了获得底部真空腔18，将图案化的纯净硅晶体作为牺牲层，并在牺牲层上覆盖纳米级的等离子化学气象沉积的Si3N4和非晶硅。通过氮化物和非晶硅层刻蚀出宽度为0.8～1.2μm，长度为2.8～3.2μm的小刻蚀孔。此后，将硅晶体在缓冲氧化物蚀刻剂中浸泡20分钟，通过蚀刻孔去除牺牲层。最终，牺牲孔在用低应力纯净硅酸盐晶体密封。为了使冷端结点16更容易被周围的空气冷却，在冷端结点16上保留0.8～1.2μm厚的氧化物作为绝缘层。最后，将0.6～0.8μm厚的铝沉积到装置表面作为散热层。
本装置底部的桥架式MPEG结构包括：具有硅基的压电结构28和通过耦合桥架10耦合到所述压电结构28上方的、用于容纳检验质量块9的微型压电发电结构框架22；所述压电结构28包括微型压电发电结构硅基24、置于所述微型压电发电结构硅基24上的构成一对电极的上电极25和下电极27 以及夹在所述上电极25和下电极27之间的产生电能的压电薄膜26；所述微型压电发电结构框架22具有预设尺寸的微型压电发电结构空腔23，所述检验质量块9位于所述微型压电发电结构空腔23内通过所述耦合桥架10耦合到所述微型压电发电结构硅基24上端面；所述桥架式MPEG结构还包括分别与所述上电极25和所述下电极27连接的上电极垫和下电极垫13，所述上电极垫和所述下电极垫13通过细导线12连接到所述微型压电发电结构框架 22的导线引出部11上将电能输送到自供能装置外的外接设备上。
这里，压电结构28为桥架式，微型压电发电结构硅基24的上表面耦合到框架22上，如图1所示，微型压电发电结构硅基24作为压电结构28的基本支撑体，具有特定的宽度W2、长度L2和厚度T2。
对外部振动的频率响特性应主要取决于微型压电发电结构硅基24的宽度W2、长度L2、厚度T2和质量以及检验质量块9的位置。特别地，可以通过控制检验质量块9的质量M来改变频率特性。如果检验质量块9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传感网络微型自供能装置。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)、或有机无与机复合材料。
微型压电发电结构框架22悬挂压电结构28，当发生外部振动时，允许压电结构28响应外部振动而自由移动。微型压电发电结构框架22包括具有特定宽度A、长度B和深度H的微型压电发电结构空腔23，以限制压电结构 28的最大位移。通常，使微型压电发电结构框架22的高度H大于检验质量块9的高度，检验质量块9响应外部振动而充分移动。微型压电发电结构框架22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，在微型压电发电结构框架22的顶面可以引出多个导线引出部11，使得导线很容易通过压电结构28的上电极垫和下电极垫13连接到外部电路。
微型压电发电结构硅基24上的上电极25和下电极27具有单层或多层导电膜，压电薄膜26插在它们之间，形成一对相互隔离的上电极25和下电极 27。上电极25和下电极27依靠绝缘膜与微型压电发电结构硅基24电绝缘。上电极25和下电极27都响应机械应变变化通过压电转换来收集压电薄膜26 产生的电荷。
下电极垫13的一端通过接触窗14连接到下电极27，上电极垫的一端连接到上电极25。上、下电极垫通过细导线12将上电极25和下电极27收集的电荷输送到外部电路，并与微型压电发电结构硅基24绝缘。电极垫以及电极均由导电材料制成。
压电薄膜材料的作用是：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。微型压电发电结构中的压电膜由氮化铝膜制成，其厚度为 1μm。
如上所述，在本发明中，由于微型压电发电结构硅基24上表面耦合到了具有微型压电发电结构空腔23的微型压电发电结构框架22上，所以微型压电发电结构框架22可以悬挂压电结构28，由此压电结构28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薄膜26 上。上电极25与下电极27之间的压电薄膜26产生的电荷由上电极25和下电极27收集并输出到外部电路，微型自供能装置发电。
本发明的微型压电发电装置通过如下方法制得：
首先，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 (即压电膜26)，形成与下电极27接触的接触窗14。
然后通过化学机械抛光，使硅衬底的底表面变薄而形成具有特定厚度T2的微型压电发电结构硅基24。
然后将检验质量块9结合到压电结构28的过程。检验质量块9通过接合过程耦合。例如，在绝缘或导电的粘接材料被滴到微型压电发电结构硅基24 之后，检验质量块9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，可以直接在微型压电发电结构硅基24的上表面上接合由有机/无机材料混合物制成的检验质量块9。
下一个步将压电结构28耦合到检验质量块9的过程，通过固定微型压电发电结构硅基24的部分上表面构成动态机构。例如，在粘接材料被滴定到微型压电发电结构硅基24之后，微型压电发电结构硅基24的部分上表面通过粘接工艺连接到具有微型压电发电结构空腔23的微型压电发电结构框架 22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。由于已经在微型压电发电结构框架22表面提前预留了导线引出部 11，方便了压电结构28的上电极25和下电极27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28通过模具分离凹部而具有特定的宽度W2和特定长度L2。
接着，通过引线键合工艺连接到微型压电发电结构框架22表面预先留出的导线引出部11，使用细导线12来连接压电结构28的上电极垫和下电极垫13。如图1所示，细导线12已经连接时的微型压电发电装置。
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和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置，由顶部的MTEG结构和底部的桥架式MPEG结构耦合构成，所述顶部的MTEG结构和所述底部的桥架式MPEG结构通过刚性连接架(21)连接固定，其特征在于，
顶部的MTEG结构包括：微型温差发电装置和设置在所述微型温差发电装置上部的相变储热装置(3)，其中，所述微型温差发电装置包括微型温差发电结构硅基(4)、所述微型温差发电结构硅基(4)底部沉积的多晶硅衬底层(6)、沉积在所述多晶硅衬底层(6)底部的多个成阵列排布的P型微型热电臂(7)和N型微型热电臂(8)，在由所述P型微型热电臂(7)和所述N型微型热电臂(8)构成的热电偶两端分别设有顶部真空腔(5)和底部真空腔(18)，所述P型微型热电臂(7)的冷端结点和所述N型微型热电臂(8)的冷端结点与所述底部真空腔(18)的内侧壁接触，所述底部真空腔(18)下还设有用于散热的保护金属层(19)；
底部的桥架式MPEG结构包括：具有硅基的压电结构(28)和通过耦合桥架(10)耦合到所述压电结构(28)上方的、用于容纳检验质量块(9)的微型压电发电结构框架(22)；所述压电结构(28)包括微型压电发电结构硅基(24)、置于所述微型压电发电结构硅基(24)上的构成一对电极的上电极(25)和下电极(27)以及夹在所述上电极(25)和下电极(27)之间的产生电能的压电薄膜(26)；所述微型压电发电结构框架(22)具有预设尺寸的微型压电发电结构空腔(23)，所述检验质量块(9)位于所述微型压电发电结构空腔(23)内通过所述耦合桥架(10)耦合到所述微型压电发电结构硅基(24)上端面；所述桥架式MPEG结构还包括分别与所述上电极(25)和所述下电极(27)连接的上电极垫和下电极垫(13)，所述上电极垫和所述下电极垫(13)通过细导线(12)连接到所述微型压电发电结构框架(22)的导线引出部(11)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和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述相变储热装置(3)的冷端与设置在其上的太阳能吸收薄膜(2)相连，所述相变储热装置(3)的热端与所述微型温差发电结构硅基(4)相连；所述相变储热装置(3)的外侧设有一个将其包裹在内的密闭腔室；所述密闭腔室由设置在所述微型温差发电装置顶部的透光材料(1)、所述微型温差发电结构硅基(4)的上表面和连接所述透光材料(1)两端的侧壁保温材料(15)构成。
3.根据权利要求2所述的基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述密闭腔室为长方体或其它规则立方体；所述侧壁保温材料(15)由导热率低的材料构成。
4.根据权利要求2所述的基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述相变储热装置(3)和微型温差发电结构硅基(4)上表面之间、所述相变储热装置(3)和所述太阳能吸收薄膜(2)之间、所述相变储热装置(3)内部均填充有导热材料，所述透光材料(1)采用高透光率的材料；所述太阳能吸收薄膜(2)采用基体与金属-电介质复合涂层、光干涉型涂层相结合的薄膜或其它太阳光吸收率高、发射率低的太阳能吸收薄膜。
5.根据权利要求1所述的基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，每个所述P型微型热电臂(7)和所述N型微型热电臂(8)的上下端面均置于所述底部真空腔(18)和所述顶部真空腔(5)之间，其中，所述P型微型热电臂(7)的热端结点和所述N型微型热电臂(8)的热端结点所在的上部端面通过所述多晶硅衬底层(6)与所述微型温差发电结构硅基(4)相接。
6.根据权利要求1-5任意一项权利要求所述的基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述多晶硅衬底层(6)作为热电层是在所述微型温差发电结构硅基(4)底部上沉积的0.6～0.8μm厚的多晶硅形成的；所述顶部真空腔(5)的内侧壁通过2.8～3.2μm厚的低应力纯净硅酸盐晶体层密封；在冷端结点上设有0.8～1.2μm厚的氧化物作为绝缘层；所述保护金属层(19)作为散热层是由0.6～0.8μm厚的铝沉积而成。
7.根据权利要求1所述的基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述检验质量块(9)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；所述压电薄膜(26)的材质为氮化铝。
8.根据权利要求1所述的基于桥架式MPEG和MTEG的太阳能与振动能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述微型压电发电结构框架(22)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。
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