CN110311530A - 一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器，包括平面线圈、振动磁极、平板、上磁轭、下磁轭，所述平板上分别开设有贯通的通孔和磁轭过孔，所述振动磁极设置在所述通孔处，所述平面线圈固定在所述磁轭过孔处，所述上磁轭固定在所述平板的上表面，所述下磁轭固定在所述平板的下表面；所述振动磁极可上下方向运动；通过所述振动磁极上下运动实现所述平面线圈的磁通大小变化、磁通方向翻转，从而增大磁通变化率，同时实现在所述上磁轭和所述下磁轭的磁力作用下的双稳态切换，从而易于将极性反转和双稳态切换效用叠加，在增加工作带宽的同时，显著提高输出功率密度，且器件易于集成制造。

Description

一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器

技术领域

本发明涉及微尺度环境振动能量的高效收集和利用技术领域，具体地，涉及一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器。

背景技术

振动能量采集器将环境中振动能通过不同机制(电磁式，静电式，压电式与摩擦发电式)转换为电能以驱动电子器件工作。其中电磁式振动能量采集器以其输出阻抗低，输出功率大等特点受到了较多的关注，在无线传感器网络节点、可穿戴设备、医学植入器件的供电中有着广泛的应用前景。

目前微型化振动能量采集器的工作带宽和输出功率太低，已成为限制其应用的瓶颈问题之一。现有研究分别从利用双稳态振动提高振动能量传递效率和利用磁路优化提高能量转换效率的角度开展了大量的探索，但相关的分析和优化常常局限于能量传递或能量转换中的某个环节，难以从能量转换全过程的角度，兼顾传递和转换效率的全面提高；所采用的拾振结构，如悬臂梁等，难以实现结构动力学特性的灵活调整，若采用高深宽比结构实现集成制造较为困难。因此如何在性能优化的基础上，实现器件的集成制造，已成为亟待解决的关键问题。

经过对现有技术文献的检索发现，X.Xing等人在《Applied Physics Letter》(应用物理学报)，撰文“Wideband vibration energy harvester with high permeabilitymagnetic material”(基于高导磁率材料的宽频振动能量采集器)，提出了一种基于高导磁率材料的宽频振动能量采集器。作者通过利用高导磁率软磁材料作悬臂梁，一方面在极性反转永磁对和悬臂梁之间引入双稳态磁力非线性，实现工作频带的拓宽，另一方面在利用软磁悬臂梁在极性反转永磁对之间来回切换时磁通大小和方向的双重变化，显著增大包裹着软磁悬臂梁的线圈内部的磁通量变化率，从而提高功率输出。该设计方案虽然利用永磁体同时实现了产生反转磁通和双稳态切换两种功能，并利用软磁悬臂梁实现了磁通汇聚，但是仍然存在以下不足：首先，该方案并未从能量转换全过程的角度，针对兼顾拓展带宽和提高能量转换效率的双重要求来开展器件结构和磁路设计，难以充分协调双稳态与极性反转的共同作用，起到一加一大于二的效果，同时由于悬臂梁调整结构刚度仅能够通过调整长度、宽度、厚度实现，也难以根据双稳态切换的要求实现灵活调整。其次，该方案中，由于悬臂梁既是拾振结构，又是导磁结构，其结构参数既要顾及双稳态切换对刚度的要求无法随意调整，又要为了降低磁阻而尽可能增大横截面积，因此难以兼顾结构刚度和汇聚磁通两方面的综合要求，造成器件设计上的矛盾。最后，从整体结构上看，虽然高导磁率材料制成的悬臂梁具有磁通汇聚的效果，但整体磁路依然是开环磁路，仍有较多的磁场没有得到有效的利用。而且整体结构基于传统机械加工工艺思路来设计，线圈通过手工绕制而成，难以借助微加工工艺实现，极大的限制了利用半导体工艺缩小器件体积的可行性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器，其结构设计能够充分利用极性反转和双稳态切换的叠加效果，兼顾拓宽工作带宽和输出功率的双重要求，同时实现了闭合磁路与拾振结构的集成制造，可以针对不同应用环境工况的激振频谱特性，在微尺度下实现了势阱深度可调的双稳态结构，满足振动能量的高效转换与利用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器，包括平面线圈、振动磁极、平板、上磁轭、下磁轭构成，其中所述平板上分别开设有贯通的通孔和磁轭过孔，所述振动磁极设置在所述通孔处，所述平面线圈固定在所述磁轭过孔处，所述上磁轭固定在所述平板的上表面，所述下磁轭固定在所述平板的下表面；所述振动磁极可上下方向运动；

当所述振动磁极运动至下位时，所述振动磁极的上部位于所述上磁轭和所述下磁轭之间，所述振动磁极的磁通依次经过所述上磁轭、所述磁轭过孔、所述平面线圈、所述下磁轭返回所述振动磁极构成导磁回路；

当所述振动磁极运动至上位时，所述振动磁极的下部位于所述上磁轭和所述下磁轭之间，所述振动磁极的磁通依次经过所述下磁轭、所述平面线圈、所述磁轭过孔、所述上磁轭返回所述振动磁极构成导磁回路；

通过所述振动磁极上下运动实现所述平面线圈的磁通大小变化、磁通方向翻转，从而增大磁通变化率，同时实现在所述上磁轭和所述下磁轭的磁力作用下的双稳态切换。

优选的，所述平面线圈由感应线圈绕组、中央磁轭和绝缘层构成，其中所述感应线圈绕组固定在所述绝缘层中，所述中央磁轭固定在所述感应线圈绕组的中央。

优选的，所述感应线圈绕组由方形或圆形的多层多匝螺旋金属线圈按螺旋渐开的方式组合构成。

优选的，所述振动磁极由极性相反的两永磁体、平面弹簧构成，其中平面弹簧由边框、悬臂梁、中央可动平台构成，所述两永磁体分别设置于所述中央可动平台的上方和下方且磁通方向互逆并构成极性反转永磁对，所述边框和所述悬臂梁将所述中央可动平台及所述极性反转永磁对悬空支承在所述通孔处。

优选的，所述悬臂梁布局中央对称且起固定和导向作用。

优选的，所述平板由顶板和底板构成，所述顶板和所述底板主体为填充层，所述顶板上开设有上磁轭过孔、上通孔，所述底板上开设有下磁轭过孔、下通孔，所述上磁轭过孔和所述下磁轭过孔位置对应构成所述磁轭过孔，所述上通孔和所述下通孔位置对应构成所述通孔。

优选的，所述上磁轭包括上主磁轭和上辅助磁轭，所述下磁轭包括下主磁轭和下辅助磁轭，所述上主磁轭和所述下主磁轭呈“几”字形，一端位于所述通孔一侧，另一端与所述磁轭过孔相连接，中间部分紧贴所述平板边缘，所述上辅助磁轭设置在所述通孔另一侧且与所述上主磁轭位于同一中轴线上，所述下辅助磁轭设置在所述通孔另一侧且与所述下主磁轭位于同一中轴线上。

与现有技术相比，本发明至少具有如下一种有益效果：

1、本发明通过采用平面弹簧结构，可以从悬臂梁的布局、形状、尺寸等多方面调整结构刚度，克服了现有技术只能通过改变悬臂梁尺寸调整刚度的局限，为根据外界环境工况特点、兼顾工作带宽和输出功率的要求，合理配置磁-机械复合刚度提供了灵活的调整手段。

2、其次通过分置拾振结构与导磁结构，避免了现有技术中悬臂梁既要构成导磁磁路，又要作为拾振结构，对于材料、结构尺寸选择上的矛盾局面，为器件设计中兼顾降低磁阻和准确设置结构刚度提供了结构保证。

3、最后通过叠层结构设计，降低了利用集成制造方法实现极性反转与双稳态切换所需的复杂三维结构的难度，能够充分发挥光刻、微电铸等集成制造方法加工精度高的优势实现微米量级的精密磁路、机械结构参数设定与调整，确保实现极性反转和双稳态切换对于磁路、机械结构参数的精度要求，从而降低了器件制作的成本，简化了工艺步骤，易于利用集成电路加工技术实现批量化生产。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器的整体结构示意图；

图2为图1所示的集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器移去顶板后的剖视结构示意图；

图3为图1所示的集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器的底视图；

图4为本发明一优选实施例的第一种磁通方向示意图；

图5为本发明一优选实施例的第二种磁通方向示意图。

图中标记分别表示为：

平面线圈1、振动磁极2、顶板3、底板4、感应线圈绕组5、中央磁轭6、绝缘层7、永磁体8、永磁体9、平面弹簧10、边框11、悬臂梁12、中央可动平台13、上填充层14、上主磁轭15、上辅助磁轭16、上通孔17、上磁轭过孔18、下填充层19、下主磁轭20、下辅助磁轭21、下通孔21、下磁轭过孔23。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图5所示，为本发明中集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器的部分实施例示意图。

如图1至图5所示，本实施例中的集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器包括平面线圈1、振动磁极2、顶板3、底板4；平面线圈1与振动磁极2位于同一平面，顶板3和底板4对称布置在该平面的上下方。

如图2所示，平面线圈1由感应线圈绕组5、中央磁轭6和绝缘层7构成，感应线圈绕组5固定在绝缘层7中，由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成。

在一些实施例中，感应线圈绕组5的高度、线宽、匝与匝之间的距离都为10-30微米范围内；而优选的，应线圈绕组5的高度、线宽、匝与匝之间的距离都为15微米。绝缘层7由聚酰亚胺、氧化铝或聚氯代对二甲苯等材料构成；而优选的，绝缘层7采用聚酰亚胺构成。

如图2和图3所示，振动磁极2由永磁体8、永磁体9和平面弹簧10组成，平面弹簧10由边框11、悬臂梁12、中央可动平台13构成。磁通方向互逆的永磁体8、永磁体9构成极性反转永磁体对，位于平面弹簧中央可动平台13上方和下方，改变中央平台13的厚度，可以改变永磁体8、永磁体9的间距。中央可动平台13与永磁体对8、永磁体9可以沿高度方向上下方向运动，

在一些实施例中，永磁体8、永磁体9的形状为立方体，材料为钕铁硼、钐钴等材料；而优选的，永磁体8和永磁体9采用钕铁硼材料。平面弹簧10的厚度约为10-30微米范围内；而优选的，平面弹簧10的厚度约为20微米。悬臂梁12的宽度约20-50微米；而优选的，悬臂梁的宽度为30微米。中央可动平台13面积约1-4平方毫米，材料为镍、铜、铁镍等材料；优选的，中央可动平台13面积约为4平方毫米，材料为电铸镍。悬臂梁12的布局为中央对称、固定-导向形状、厚度20微米。

在一些实施例中，悬臂梁12可以以上通孔上通孔17和下通孔21为中心呈左右对称布置或中央堆成布置。悬臂梁12的形状可以采用蟹脚形、Z字形等形状，上述形状是本发明优选的一些方案，但本发明并不局限于上述形状。悬臂梁12的尺寸(宽度、厚度、长度等)也可根据所需平面弹簧10的刚度进行改变。悬臂梁12在实施例中仅作为拾振结构来使用，避免了现有技术中悬臂梁既要构成导磁磁路，又要作为拾振结构，对于材料、结构尺寸选择上的矛盾局面，为器件设计中兼顾降低磁阻和准确设置结构刚度提供了结构保证。

如图1所示，顶板3包括上填充层14、上主磁轭15、上辅助磁轭16、上通孔17、上磁轭过孔18；如图3所示，底板4包括下填充层19、下主磁轭20、下辅助磁轭21、下通孔22、下磁轭过孔23。

顶板3和底板4中，上主磁轭15、下主磁轭20与上辅助磁轭16、下辅助磁轭21分别位于上填充层14和下填充层19的同侧，即上主磁轭15和上辅助磁轭16位于上填充层14的上表面，下主磁轭20和下辅助磁轭21位于下填充层19的下表面。上通孔17、下通孔22与上磁轭过孔18、下磁轭过孔23分别开设于上填充层14和下填充层19的两端并构成上下贯通。

如图1和图3所示，上主磁轭15、下主磁轭20呈“几”字形，其中上主磁轭15的一端位于上通孔17一侧，另一端与上磁轭过孔18连接，下主磁轭20的一端位于下通孔22一侧，另一端与下磁轭过孔23相连，两个主磁轭的中间部分分别紧贴对应的上填充层14和下填充层19的边缘位置，从而增大了两个主磁轭之间的间距，减小了漏磁通，即磁路中不经过平面线圈的磁通。

在一实施例中，上填充层14、下填充层19材料可为聚酰亚胺、环氧树脂等材料，厚度约300-400微米；而优选的，上填充层14和下填充层19的厚度约350微米。上主磁轭15、下主磁轭20、上辅助磁轭16、下辅助磁轭21、上磁轭过孔18、下磁轭过孔23的厚度约200-1500微米、材料为铁镍或镍等；优选的，上述部件的厚度约500微米。上通孔17、下通孔22的边长约1-4毫米，过孔边长约0.5-2毫米；优选的，上通孔17、下通孔22的边长约3毫米，过孔边长约0.5毫米。

顶板3上的上磁轭过孔18位于中央磁轭6的正上方，底板4上的下磁轭过孔23位于中央磁轭6的正下方；顶板3上的上通孔17位于振动磁极2的正上方，底板4上的下通孔22位于振动磁极2的正下方。

如图1和图3所示，位于上通孔17、下通孔22两侧的辅助磁轭与主磁轭一端，即上辅助磁轭16位于上通孔17相较于上主磁轭15的另一侧，下辅助磁轭21位于下通孔22相较于下主磁轭20的另一侧。上辅助磁轭16与上主磁轭15、下辅助磁轭21与下主磁轭20位于同一中轴线上。顶板3上的上辅助磁轭16与底板4上的下主磁轭20位于振动磁极2同侧，顶板3上的上主磁轭15与底板4上的下辅助磁轭21位于振动磁极2另一侧。以此，上主磁轭15和上辅助磁轭16构成上磁轭，下主磁轭20和下辅助磁轭21构成下磁轭，上磁轭和下磁轭在顶板3和底板4的上下表面以振动磁极2和平面线圈1的连线镜像对称布置。

如图1所示，中央可动平台13上方的永磁体8的N极面向顶板通孔17一侧的主磁轭15一端，S极面向顶板通孔17另一侧的辅助磁轭16。

如图3所示，中央可动平台13下方的永磁体9的S极面向顶板通孔17一侧的主磁轭15一端，N极面向顶板通孔17另一侧的辅助磁轭16。

振动磁极2上的永磁体8、永磁体9与顶板3、底板4上的主磁轭与辅助磁轭之间存在磁力，磁力大小取决于极性反转永磁体与主磁轭、辅助磁轭之间的气隙，通过在永磁体两侧分别设置主磁轭和辅助磁轭，可以使水平方向的磁力相互抵消，避免由于磁力不均衡导致磁极发生扭转，破坏器件结构；通过调整上通孔17、下通孔22的面积，中央可动平台13的面积、永磁体8、永磁体9的固定位置，可以调整气隙，进而调整磁力的大小。

上述实施例通过采用平面弹簧10结构，可以从悬臂梁12的布局、形状、尺寸等多方面调整结构刚度，克服了现有技术只能通过改变悬臂梁尺寸调整刚度的局限，为根据外界环境工况特点、兼顾工作带宽和输出功率的要求，合理配置磁-机械复合刚度提供了灵活的调整手段。

如图4所示，当振动磁极2向下运动直至下位时，振动磁极2的上部即中央可动平台13上方的永磁体8位于顶板3的上主磁轭15与底板4的下主磁轭20之间，磁通从永磁体8的N极出发，穿过永磁体8与上主磁轭15间的气隙，经过顶板上主磁轭15，上磁轭过孔18，中央磁轭6，下磁轭过孔23，下主磁轭20，穿过下主磁轭20与永磁体8之间的气隙，到达永磁体8的S极，形成导磁方向一。

如图5所示，当振动磁极2向上运动直至上位时，振动磁极2的下部即中央可动平台13下方的永磁体9位于顶板3与底板4的上主磁轭15与下主磁轭20之间，磁通从永磁体9的N极出发，穿过永磁体9与下主磁轭20间的气隙，经过底板下主磁轭20，下磁轭过孔23，中央磁轭6，上磁轭过孔18，上主磁轭15，穿过上主磁轭15与永磁体9之间的气隙，到达永磁体9的S极，形成导磁方向二。

导磁方向一与导磁方向二互逆。因此当振动磁极2上下运动时，通过感应线圈绕组5的磁通不仅大小发生变化，其磁通方向也发生反转，因此能够显著增大磁通变化率。

另一方面，当振动磁极2上下运动的过程中，在高度方向上，上方的永磁体8在高度方向上位于顶板3和底板4的上主磁轭15和下主磁轭20之间，以及下方的永磁体9位于顶板3和底板4的上主磁轭15和下主磁轭20之间，分别构成磁力作用下的两个双稳态，因此可以实现双稳态切换。

上述实施例通过叠层结构设计，降低了利用集成制造方法实现极性反转与双稳态切换所需的复杂三维结构的难度，能够充分发挥光刻、微电铸等集成制造方法加工精度高的优势实现微米量级的精密磁路、机械结构参数设定与调整，确保实现极性反转和双稳态切换对于磁路、机械结构参数的精度要求，从而降低了器件制作的成本，简化了工艺步骤，易于利用集成电路加工技术实现批量化生产。

在一具体实施例中，通过将永磁体8、永磁体9与上主磁轭15、下主磁轭20之间的气隙设置为0.8毫米，永磁体8、永磁体9的材料设置为钕铁硼、体积设置为4立方毫米、永磁体8、永磁体9之间的间距设置为0.5mm，平面弹簧10设置为固定-导向结构，厚度为20微米，通过调整双稳态振动的势阱深度和双稳态之间的间距，器件工作带宽可达75赫兹和输出功率可达146.3微瓦，对应的归一化体积功率密度可达203.2微瓦每立方厘米每平方g。

本发明上述实施例对于集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器的结构设计能够充分利用极性反转和双稳态切换的叠加效果，兼顾拓宽工作带宽和输出功率的双重要求，同时实现了闭合磁路与拾振结构的集成制造，可以针对不同应用环境工况的激振频谱特性，在微尺度下实现了势阱深度可调的双稳态结构，满足振动能量的高效转换与利用。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本发明的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器，其特征在于：包括平面线圈、振动磁极、平板、上磁轭、下磁轭，其中所述平板上分别开设有贯通的通孔和磁轭过孔，所述振动磁极设置在所述通孔处，所述平面线圈固定在所述磁轭过孔处，所述上磁轭固定在所述平板的上表面，所述下磁轭固定在所述平板的下表面；所述振动磁极可上下方向运动；

当所述振动磁极运动至下位时，所述振动磁极的上部位于所述上磁轭和所述下磁轭之间，所述振动磁极的磁通依次经过所述上磁轭、所述磁轭过孔、所述平面线圈、所述下磁轭返回所述振动磁极构成导磁回路；

当所述振动磁极运动至上位时，所述振动磁极的下部位于所述上磁轭和所述下磁轭之间，所述振动磁极的磁通依次经过所述下磁轭、所述平面线圈、所述磁轭过孔、所述上磁轭返回所述振动磁极构成导磁回路；

通过所述振动磁极上下运动实现所述平面线圈的磁通大小变化、磁通方向翻转，从而增大磁通变化率，同时实现在所述上磁轭和所述下磁轭的磁力作用下的双稳态切换。

2.根据权利要求1所述的一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器，其特征在于：所述平面线圈由感应线圈绕组、中央磁轭和绝缘层构成，其中所述感应线圈绕组固定在所述绝缘层中，所述中央磁轭固定在所述感应线圈绕组的中央。

3.根据权利要求2所述的一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器，其特征在于：所述感应线圈绕组由方形或圆形的多层多匝螺旋金属线圈按螺旋渐开的方式组合构成。

4.根据权利要求1所述的一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器，其特征在于：所述振动磁极由极性相反的两永磁体、平面弹簧构成，其中平面弹簧由边框、悬臂梁、中央可动平台构成，所述两永磁体分别设置于所述中央可动平台的上方和下方且磁通方向互逆并构成极性反转永磁对，所述边框和所述悬臂梁将所述中央可动平台及所述极性反转永磁对悬空支承在所述通孔处。

5.根据权利要求4所述的一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器，其特征在于：所述悬臂梁布局中央对称且起固定和导向作用。

6.根据权利要求1或4所述的一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器，其特征在于：所述平板由顶板和底板构成，所述顶板和所述底板主体为填充层，所述顶板上开设有上磁轭过孔、上通孔，所述底板上开设有下磁轭过孔、下通孔，所述上磁轭过孔和所述下磁轭过孔位置对应构成所述磁轭过孔，所述上通孔和所述下通孔位置对应构成所述通孔。

7.根据权利要求1所述的一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器，其特征在于：所述上磁轭包括上主磁轭和上辅助磁轭，所述下磁轭包括下主磁轭和下辅助磁轭，所述上主磁轭和所述下主磁轭呈“几”字形，一端位于所述通孔一侧，另一端与所述磁轭过孔相连接，中间部分紧贴所述平板边缘，所述上辅助磁轭设置在所述通孔另一侧且与所述上主磁轭位于同一中轴线上，所述下辅助磁轭设置在所述通孔另一侧且与所述下主磁轭位于同一中轴线上。