CN111130296B - 一种电磁式振动能量收集器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁技术与MEMS技术领域，公开了一种电磁式振动能量收集器及制作方法。电磁式振动能量收集器包括：永磁体、三维线圈、弹性元件和铁芯，三维线圈分别位于沿永磁体振动方向的两侧，铁芯分别穿过三维线圈内，弹性元件固定于永磁体上，且弹性元件的四边分别连接于硅衬底的四边。制作方法包括：在沿永磁体的振动方向的两侧固定三维线圈，在永磁体上设置弹性元件，将铁芯插入到三维线圈中，采用可与IC工艺兼容的三维线圈结构，束磁能力更强，效率和输出功率更高；得益于三维线圈的应用，首次在MEMS电磁式振动能量收集器中采用了与线圈轴线相垂直的振动形式，与之前沿线圈轴线的振动形式相比，磁通量变化梯度更大，输出功率更高。

Description

一种电磁式振动能量收集器及制作方法

技术领域

本发明涉及电磁技术与MEMS技术领域，特别是涉及一种电磁式振动能量收集器及制作方法。

背景技术

电磁式振动能量收集器可解决各类型微小型传感器、执行器在复杂环境、特殊工况下的能量自给问题。可为无线传感网络提供可持续的绿色能源，在物联网、便携/可穿戴设备、植入式医疗等前沿科学领域具有重要的应用前景，可解决传统电池寿命有限、续航时间有限、污染环境等能源和环境问题。

提高电磁式振动能量收集器的功率输出密度、频率带宽，以及发展微型化、集成化的制造技术，是微型电磁式振动能量收集器的重要发展方向。当前电磁式振动能量收集器大多采用机械绕线的方式，限制了振动能量收集器的微型化和集成化的发展；采用微机电系统(即Micro-Electro-Mechanical System，简称：MEMS)工艺制造的集成线圈，虽然可与集成电路(即integrated circuit，简称：IC)工艺相兼容，但其大多为平面螺旋式线圈，如图1所示，其结构包括：永磁体1、平面弹簧/弹性薄膜101、硅衬底2和MEMS平面线圈102，这种电磁式振动能量收集器漏磁较大，降低了输出功率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明实施例的目的是提供一种电磁式振动能量收集器及制作方法，以解决现有技术中的电磁式振动能量收集器存在的漏磁较大的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种电磁式振动能量收集器，包括：永磁体、三维线圈、弹性元件和铁芯，所述三维线圈分别位于沿所述永磁体振动方向的两侧，所述铁芯分别穿过所述三维线圈内，所述弹性元件一端连接于所述永磁体上，另一端固定。

其中，所述电磁式振动能量收集器还包括硅衬底，所述硅衬底包括第一硅片和第二硅片，所述第一硅片和所述第二硅片的上表面均构造有导线槽，下表面均构造有铁芯槽，所述第一硅片和所述第二硅片均构造有由其上表面贯穿于其下表面的通孔，所述第一硅片的所述铁芯槽与所述第二硅片的所述铁芯槽相对并连接，且所述第一硅片的通孔与所述第二硅片的通孔一一对应设置。

其中，所述三维线圈包括上层导线、下层导线和垂直导线，所述上层导线设置于所述第一硅片的所述导线槽内，所述下层导线设置于所述第二硅片的所述导线槽内，所述垂直导线设置于所述第一硅片和所述第二硅片的所述通孔内，所述上层导线通过所述垂直导线与所述下层导线连接。

其中，所述弹性元件为弹簧片，所述弹簧片包括第一固定端、弹簧片本体和四个第二固定端，所述第一固定端固定于所述永磁体上，四个所述第二固定端分别连接于所述硅衬底的四边，所述弹簧片本体设置于所述第一固定端与所述第二固定端之间。

其中，所述弹簧片包括第一弹簧片和第二弹簧片，所述第二弹簧片固定于沿所述永磁体振动方向的上表面，所述第一弹簧片固定于沿所述永磁体振动方向的下表面。

其中，所述铁芯的材质为硅钢。

其中，所述电磁式振动能量收集器还包括两个E型硅钢片，所述铁芯为所述E型硅钢片的中央突出部，两个所述E型硅钢片分别位于所述永磁体的两侧且相对设置。

本发明还公开了一种电磁式振动能量收集器的制作方法，包括：

S1、固定底部的第一弹簧片，并在其上方固定永磁体；

S2、在沿所述永磁体的振动方向的两侧固定三维线圈，并将三维线圈引出导线；

S3、在所述永磁体顶部固定第二弹簧片；

S4、将铁芯插入到所述三维线圈中。

其中，在所述S1和所述S2之间还包括采用MEMS工艺制作三维线圈：

S11、在第一硅片上表面构造有导线槽，下表面均构造有铁芯槽，还构造有由其上表面贯穿于其下表面的通孔；

S12、在第二硅片上表面构造有导线槽，下表面均构造有铁芯槽，还构造有由其上表面贯穿于其下表面的通孔；

S13、使第一硅片的通孔与第二硅片的通孔相对，且第一硅片的铁芯槽和第二硅片的铁芯槽相对并键合连接；

S14、在第一硅片的导线槽、第一硅片的通孔、第二硅片的通孔和第二硅片的导线槽中电镀铜，制成三维线圈；

S15、将所述第一硅片和所述第二硅片切开使得所述铁芯槽暴露。

其中，所述S4包括为：将所述铁芯插入到所述第一硅片的所述铁芯槽和所述第二硅片的所述铁芯槽中。

(三)有益效果

本发明实施例提供的一种电磁式振动能量收集器及制作方法，采用可与IC工艺兼容的三维线圈结构，相比于微型平面螺旋式线圈，束磁能力更强，效率和输出功率更高；得益于三维线圈的应用，首次在MEMS电磁式振动能量收集器中采用了与线圈轴线相垂直的振动形式，与之前沿线圈轴线的振动形式相比，磁通量变化梯度更大，输出功率更高。

附图说明

图1为现有技术中的电磁式振动能量收集器的结构示意图；

图2为本发明实施例一种电磁式振动能量收集器的内部平面示意图；

图3为本发明实施例一种电磁式振动能量收集器的纵截面剖视图；

图4为本发明实施例第一硅片和第二硅片的结构示意图；

图5为本发明实施例三维线圈的结构示意图；

图6为本发明实施例弹簧片的结构示意图；

图7为本发明实施例E型硅钢片的结构示意图。

附图标记：

1：永磁体；101：平面弹簧/弹性薄膜；102：MEMS平面线圈；2：硅衬底；3：E型硅钢片；4：弹簧片；5：三维线圈；51：上层导线；52：下层导线；53：垂直导线；6：第一硅片；7：第二硅片；8：导线槽；9：铁芯槽；10：通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图2和图3所示，本发明实施例公开了一种电磁式振动能量收集器，包括：永磁体1、三维线圈5、弹性元件和铁芯，三维线圈5分别位于沿永磁体1振动方向的两侧，铁芯分别穿过三维线圈5内，弹性元件一端连接于永磁体1上，另一端固定。

具体地，本实施例中的永磁体1可采用磁铁，具体可以为瓦形磁铁、条形磁铁或U形磁铁等等，本实施例中采用条形磁铁。铁芯可采用硅钢片、硅钢棒等等，三维线圈5则可采用MEMS工艺制作，也可以采用铜导线。本实施例中的三维线圈为两组，整体宽度为4.6mm，每组25匝，匝间距为100um，导线直径为100um，线圈高度为1mm。弹性元件用于提供永磁体1简谐振动的回复力。

本实施例中的线圈采用三维线圈5缠绕，区别于现有技术中的平面螺旋式线圈，本实施例中的三维线圈5可采用MEMS工艺制作，大大降低了收集器的体积，且可与IC工艺集成。在永磁体1受到振动激励，使其沿振动方向上、下移动，三维线圈5和铁芯切割磁感线，产生感应电动势，并通过三维线圈5两端的引线构成闭合回路，输出感应电流。通过本实施例的电磁式振动能量收集器可以实现将振动激励转化为感应电流输出。

本发明实施例提供的一种电磁式振动能量收集器及制作方法，采用可与IC工艺兼容的三维线圈5结构，相比于微型平面螺旋式线圈，束磁能力更强，效率和输出功率更高；得益于三维线圈5的应用，首次在电磁式振动能量收集器中采用了与线圈轴线相垂直的振动形式，与之前沿线圈轴线的振动形式相比，磁通量变化梯度更大，输出功率更高。

其中，本实施例的电磁式振动能量收集器还包括硅衬底2，硅衬底2包括第一硅片6和第二硅片7，第一硅片6和第二硅片7的上表面均构造有导线槽8，下表面均构造有铁芯槽9，第一硅片6和第二硅片7均构造有由其上表面贯穿于其下表面的通孔10，第一硅片6的铁芯槽9与第二硅片7的铁芯槽9相对并连接，且第一硅片6的通孔10与第二硅片7的通孔10一一对应设置，使得第一硅片6的通孔10能够贯穿连接至第二硅片7的通孔10。具体地，如图4所示，本实施例中的第一硅片6和第二硅片7的结构相同，两者相对设置且保证导线槽8均暴露在外侧，铁芯槽9在内侧，通孔10相对。本实施例中的第一硅片6和第二硅片7的厚度均为500um，导线槽8宽度和深度均为100um，通孔10直径为100um，铁芯槽9刻蚀250um，铁芯的厚度为500um。上述的弹性元件的一端连接在永磁体1上，另一端固定在硅衬底上。

其中，三维线圈5包括上层导线51、下层导线52和垂直导线53，上层导线51设置于第一硅片6的导线槽8内，下层导线52设置于第二硅片7的导线槽8内，垂直导线53设置于第一硅片4和第二硅片7的通孔10内，上层导线51通过垂直导线53与下层导线52连接。具体地，如图4和图5所示，本实施例中第一硅片6的导线槽8用于固定上层导线51，第一硅片6的导线槽8用于固定下层导线52，第一硅片6和第二硅片7的通孔10用于固定垂直导线53，且上层导线51是通过垂直导线53与下层导线52连接，通过第一硅片6和第二硅片7的结构固定三维线圈5，使线圈具有三维线圈5的立体结构。值得注意的是，本实施例中的上层导线51、下层导线52和垂直导线53均为一根导线中的不同位置，仅用于区分该根导线的不同位置，而非代表三根导线。

其中，本实施例的中的弹性元件为弹簧片4，弹簧片3包括第一固定端、弹簧片本体和四个第二固定端，第一固定端固定于永磁体1上，四个第二固定端分别连接于硅衬底2的四边，弹簧片本体设置于第一固定端与第二固定端之间。本实施例中的弹簧片4中的弹簧片本体通过其弹性势能提供的力的作用，给予永磁体1以水平方向的约束力，主要用于限制永磁体1的水平方向位置(也即规定振动方向为垂直方向)，用于限制永磁体1位于两根铁芯的中间位置附近，限制永磁体1沿非振动方向运动。本实施例中的弹簧片4在水平方向提供的弹性力远远大于垂直方向提供的弹性力，在永磁体1振动时利用本实施例中的弹簧片4可提供弹性恢复力，即在振动方向具有较低的刚度，可提高振子的振动幅值，同时在非振动方向刚度较高，可保证振子振动的方向性。这样的振动方式，可以更大限度的利用铁芯内磁通量的非线性变化趋势以及铁芯-永磁体之间的非线性吸引力，使得振子的振动具有典型的非线性效应，可以拓宽系统的输出带宽，提高输出功率。

其中，弹簧片4包括第一弹簧片和第二弹簧片，第二弹簧片固定于沿永磁体1振动方向的上表面，第一弹簧片固定于沿永磁体1振动方向的下表面。本实施例中的第一弹簧片和第二弹簧片的尺寸规格一致，在永磁体1的上、下表面均安装弹簧片4，限制了永磁体的转动。具体地，本实施例的第一弹簧片和第二弹簧片的结构相同，由于遮挡关系无法展示出下表面的第一弹簧片结构，如图6所示，本实施例中的第一弹簧片和第二弹簧片可采用平面蛇形等宽度弹簧结构，该弹簧结构的刚度系数对整机固有频率和共振振幅有着直接影响，对整机性能影响非常显著。同时非振动方向的刚度会影响工作过程中的稳定性问题，若刚度太低则永磁体1和铁芯之间的吸引不平衡会将永磁体吸至一侧而无法振动。因此需要合理设计弹簧片4的结构参数来校核不同方向的刚度系数，在保证振动稳定性的同时尽可能提升整机的功率输出。本实施例中的第一弹簧片和第二弹簧片可采用黄铜材料制成，利用线切割技术进行加工，其宽度约为0.5mm，弹簧片4中相邻片之间的宽度约为0.3mm。

其中，铁芯的材质为硅钢。本实施例中的三维线圈5中可插入软磁材料进行束磁，首次在微型电磁式振动能量收集器中引入了硅钢软磁材料，使得磁路闭合，大大提高了输出功率。

进一步地，本实施例的电磁式振动能量收集器还包括两个E型硅钢片3，铁芯为E型硅钢片3的中央突出部，两个E型硅钢片3分别位于永磁体1的两侧且相对设置。在线圈加工完成后，分别从左右两侧插入E型硅钢片3，构成闭合的磁回路。两个E型硅钢片3相对设置，形成如图7所示的结构，其整体尺寸为20×20mm，中间的铁芯宽度为4mm，硅钢片3材料采用DW465-50牌号，加工方式为线切割加工。另外根据不同的设计气隙，硅钢片的尺寸也会随之变化。相应地，永磁体的尺寸为7mm(长)×1.6mm(宽)×0.8mm(高)，充磁方向沿1.6mm边长充磁，材料为NdFeB35。铁芯的厚度为0.5mm。值得注意的是，本实施例中的铁芯为E型硅钢片3的一部分，即为其中央突出部，其穿过缠绕的线圈充当铁芯的作用，产生感应电动势。

本发明实施例还公开了一种电磁式振动能量收集器的制作方法，包括：

S1、固定底部的第一弹簧片，并在其上方固定永磁体1；

S2、在沿永磁体1的振动方向的两侧固定三维线圈5，并将三维线圈5引出导线

S3、在永磁体1顶部固定第二弹簧片；

S4、将铁芯插入到三维线圈5中；

具体地，S1和S2中将第一弹簧片固定在硅衬底2上，使得硅衬底2内的三维线圈5位于永磁体1振动方向的两侧。

S3：在永磁体1和硅衬底2上表面固定第二弹簧片。

S4：将E型硅钢片3左右对称分别插入三维线圈5中。

整机装配的方案流程和装配精度会对最终系统能否正常工作以及整机性能产生很大的影响，因此需要综合考虑各种因素制定整机的装配方案和流程。需要的因素主要有：

永磁体1与E型硅钢片3之间的不稳定吸引力：在永磁体1与E型硅钢片3装配时，如果两者的对准存在误差，或者对永磁体1施加了一个横向的扰动，则永磁体1与左右E型硅钢片3之间的吸引力变为非对称状态，会有一净吸引力。如果误差或扰动较大，永磁体1会在不平衡吸引力的作用下吸向一侧，难以分开。因此装配时要重点考虑两者的对准问题，尽量减小装配误差与装配扰动。

弹簧刚度：由于弹簧片4厚度只有0.5mm，极易变形，因此装配时应尽量避免弹簧片4的变形和扭曲。应合理设计弹簧片4的安装顺序和工装配件，保证弹簧片4在装配过程中的安全性。

永磁体安装位置：永磁体1与E型硅钢片3的相对安装位置可不选取正对位置。当有一定偏移量存在时，可以改变振子振动范围的磁通量变化率和硅钢片吸引力，从而改变系统的输出性能。对于不同的气隙，达到系统输出最优的偏移量不同。经过分析，针对本例0.8mm的气隙，当偏移量250um时系统输出功率最大。因此取250um的装配偏移量。偏移量通过在永磁体一端加入偏移垫片实现。

其中，在S1和S2之间还包括采用MEMS工艺制作三维线圈：

S11、在第一硅片6上表面构造有导线槽8，下表面均构造有铁芯槽9，还构造有由其上表面贯穿于其下表面的通孔10；

S12、在第二硅片7上表面构造有导线槽8，下表面均构造有铁芯槽9，还构造有由其上表面贯穿于其下表面的通孔10；

S13、使第一硅片6的通孔10与第二硅片7的通孔10相对，且第一硅片6的铁芯槽9和第二硅片7的铁芯槽9相对并键合连接；

S14、在第一硅片6的导线槽8、第一硅片6的通孔10、第二硅片7的通孔10和第二硅片7的导线槽8中电镀铜，制成三维线圈；

S15、将第一硅片6和第二硅片7切开使得铁芯槽9暴露。

本实施例中的三维线圈5采用通孔铜电镀技术，可与当前IC工艺相兼容。本发明所设计微型电磁式振动能量收集器的核心器件可与传感器、通讯模块等配套电子元件集成制造在同一芯片，大大提高了微型电子系统的集成化和微型化。

具体地，本实施例中的三维线圈5的制作工艺步骤包括硅衬底(步骤S11至S13)加工与铜电镀(步骤S14)两个阶段，本实施例中的电镀铜即为所需的三维线圈5。步骤S11至S12具体为：首先利用光刻、氧化硅湿法刻蚀、多层图案对准曝光、体硅刻蚀等工艺，在第一硅片6和第二硅片7上表面加工导线槽8，下表面加工铁芯槽9，贯穿上、下表面的通孔10。保证铁芯槽9深度、导线槽8深度为设计深度，同时保证通孔10为贯通状态。步骤S13具体为：利用硅硅直接键合将第一硅片6和第二硅片7对准键合在一起，形成具备完整导线槽8、通孔10、铁芯槽9(两个铁芯槽相对形成轴向用于放置铁芯的通孔)结构的硅衬底模具。步骤S14具体为：利用磁控溅射在硅片上表面溅射金属镍，作为中间层增强铜硅附着力；再溅射一层铜，作为电镀种子层。后利用铜电镀技术将上表面的导线槽8和通孔10完全填充，铜生长至硅片上表面。接着在硅片上表面再次溅射镍与铜，开始第二次电镀，至上表面导线槽8填充完全。利用化学机械抛光方法将硅片表面多余的电镀铜去除至铜表面与硅片表面齐平，不同匝导线之间无连接。步骤S15具体为：利用切割工艺，纵向将第一硅片6和第二硅片7从特定位置切开，同时将铁芯槽9暴露。

其中，所述S4具体为：将所述铁芯插入到所述第一硅片6的所述铁芯槽9和所述第二硅片7的所述铁芯槽9中。具体地，将E型硅钢片3中的铁芯部分插入到铁芯槽9中，形成完整的三维线圈结构。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电磁式振动能量收集器，其特征在于，包括：永磁体、三维线圈、弹性元件和铁芯，所述三维线圈分别位于沿所述永磁体振动方向的两侧，所述铁芯分别穿过所述三维线圈内，所述弹性元件一端连接于所述永磁体上，另一端固定；

所述电磁式振动能量收集器还包括硅衬底，所述硅衬底包括第一硅片和第二硅片，所述第一硅片和所述第二硅片的上表面均构造有导线槽，下表面均构造有铁芯槽，所述第一硅片和所述第二硅片均构造有由其上表面贯穿于其下表面的通孔，所述第一硅片的所述铁芯槽与所述第二硅片的所述铁芯槽相对并连接，且所述第一硅片的通孔与所述第二硅片的通孔一一对应设置；

所述三维线圈包括上层导线、下层导线和垂直导线，所述上层导线设置于所述第一硅片的所述导线槽内，所述下层导线设置于所述第二硅片的所述导线槽内，所述垂直导线设置于所述第一硅片和所述第二硅片的所述通孔内，所述上层导线通过所述垂直导线与所述下层导线连接；

其中，所述铁芯的材质为硅钢；所述电磁式振动能量收集器还包括两个E型硅钢片，所述铁芯为所述E型硅钢片的中央突出部，两个所述E型硅钢片分别位于所述永磁体的两侧且相对设置；

所述电磁式振动能量收集器的制作方法，包括：

S1、固定底部的第一弹簧片，并在其上方固定永磁体，永磁体安装位置：永磁体与E型硅钢片的相对安装位置可不选取正对位置；

S2、在沿所述永磁体的振动方向的两侧固定三维线圈，并将三维线圈引出导线；

S3、在所述永磁体顶部固定第二弹簧片；

S4、将铁芯插入到所述三维线圈中；

在所述S1和所述S2之间还包括采用MEMS工艺制作三维线圈：

S11、在第一硅片上表面构造有导线槽，下表面均构造有铁芯槽，还构造有由其上表面贯穿于其下表面的通孔；

S12、在第二硅片上表面构造有导线槽，下表面均构造有铁芯槽，还构造有由其上表面贯穿于其下表面的通孔；

S13、使所述第一硅片的所述通孔与所述第二硅片的所述通孔相对，且所述第一硅片的所述铁芯槽和所述第二硅片的所述铁芯槽相对并键合连接；利用硅硅直接键合将第一硅片和第二硅片对准键合在一起，形成具备完整导线槽、通孔、铁芯槽结构的硅衬底模具，其中，两个铁芯槽相对形成轴向用于放置铁芯的通孔；

S14、在所述第一硅片的所述导线槽、所述第一硅片的所述通孔、所述第二硅片的所述通孔和所述第二硅片的所述导线槽中电镀铜，制成所述三维线圈；利用磁控溅射在硅片上表面溅射金属镍，作为中间层增强铜硅附着力；再溅射一层铜，作为电镀种子层；后利用铜电镀技术将上表面的导线槽和通孔完全填充，铜生长至硅片上表面；接着在硅片上表面再次溅射镍与铜，开始第二次电镀，至上表面导线槽填充完全；利用化学机械抛光方法将硅片表面多余的电镀铜去除至铜表面与硅片表面齐平，不同匝导线之间无连接；

S15、将所述第一硅片和所述第二硅片切开使得所述铁芯槽暴露。

2.根据权利要求1所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述弹性元件为弹簧片，所述弹簧片包括第一固定端、弹簧片本体和四个第二固定端，所述第一固定端固定于所述永磁体上，四个所述第二固定端分别连接于所述硅衬底的四边，所述弹簧片本体设置于所述第一固定端与所述第二固定端之间。

3.根据权利要求2所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述弹簧片包括第一弹簧片和第二弹簧片，所述第二弹簧片固定于沿所述永磁体振动方向的上表面，所述第一弹簧片固定于沿所述永磁体振动方向的下表面。

4.根据权利要求1所述的电磁式振动能量收集器的制作方法，其特征在于，所述S4包括：将所述铁芯插入到所述第一硅片的所述铁芯槽和所述第二硅片的所述铁芯槽中。

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