CN113315415A - 一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器及制备方法，阶梯式压电能量采集器包括悬臂梁，以及设于悬臂梁两端的固定装置与质量块，其中悬臂梁包括自上而下依次设置的压电层、粘结层以及金属衬底层，并且沿指向质量块的悬臂梁长度方向，压电层与金属衬底层的厚度均呈阶梯状逐渐减小。与现有技术相比，本发明通过激光设备进行阶梯减薄工艺，在传统矩形悬臂梁上释放应力，获得低频、高输出和高能量密度的阶梯式压电能量采集器件，具有制备方法简单、可控性强、兼容性好等优点，所制备的阶梯状悬臂梁具有能量密度高、谐振频率低和输出电能高等优点，具有较为广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于块材压电材料减薄和压电能量采集器技术领域，涉及一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器及制备方法。
背景技术
在微压电能量采集器器件的薄膜化领域，微机电系统(MEMS)器件中压电层的厚度集中在100nm-1mm的尺度范围，主要分为薄膜、厚膜和块材压电陶瓷(PZT)三大类。块材PZT(100μm-1mm)一般通过1000℃以上的高温烧结得到，可获得较好的压电特性，但工艺复杂设备要求高；PZT薄膜(100nm-1um)一般通过分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)和化学气相沉积(CVD)等工艺获取，然而用这种层层堆叠的方式不断生长会引入非常多的材料缺陷和晶向取向不一的问题，引起制备的薄膜具有较差的压电特性；PZT厚膜(1um-100um)一般通过溶胶凝胶法(Sol-gel deposition)、气溶胶沉积(Aerosol deposition)和丝网印刷(Screen printing)等方法制备，但受到工艺限制导致材料的致密性和压电特性相比于块材PZT较差。因此，通过对块材PZT减薄工艺是获得较好压电特性的途径之一。
对比现有技术发现，中国专利ZL107808926B公开了一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器及其制备方法，具体提供了一种通过机械减薄、研磨和抛光等方法对块材PZT进行减薄的工艺方法，可将压电层减薄至65μm，但该方法在微米级小尺度下对设备精度要求较高，并且工艺工序复杂、制备效率较低，Manjuan Huang等人在《A Low-Frequency MEMSPiezoelectric Energy Harvesting System Based on Frequency Up-ConversionMechanism》(Micromachines，2019)中通过MEMS工艺和机械减薄技术制备了一种微压电能量采集器件，PZT层达到66μm的压电厚膜，但该方法步骤复杂，并且很难实现大批量生产。
同时，MEMS直线型悬臂梁在受到外界激励时，其应力多集中在固定端，导致压电材料的能量密度很低，限制了能量采集器件的能源产能效率。此外，由于传统直线型悬臂梁的尺寸有限，其固有频率很高，难以匹配自然环境中所存在的谐振频率，使得其应用受到很大约束。
中国专利ZL 201520923851.3公开了一种阶梯形压电悬臂梁能量采集器，包括基板、质量块和压电晶片，基板两端的厚度不相等且两端之间区域的厚度位于两端的厚度值之间，压电晶片设于基板的上表面，质量块设于基板一端。该能量采集器有利于采集低频能量，并获得较大开路输出电压值。但是该专利仍具有以下缺点：(1)未对压电层做出改变，器件能量输出密度有很大提升范围；(2)该专利只是单纯减薄基板，其具体内容为：“基板第一区域、第二区域和第三区域厚度分别设置为20μm、16μm和12μm，压电层厚度设置为25μm”，这会导致该器件结构的压电层无法有效产生应力。一般器件的力学中性层需处于金属衬底层，这样才能够保证复合悬臂梁结构发生形变时压电层均拥有相同的极化方向，避免产生电荷抵消；(3)未给出加工和制备方法，缺少关键性工艺指标。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器及制备方法，用于解决现有压电能量采集器与自然环境中的谐振频率之间匹配性能较差，从而导致能源产能效率的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器，包括悬臂梁，以及设于悬臂梁两端的固定装置与质量块，其中所述的悬臂梁包括自上而下依次设置的压电层、粘结层以及金属衬底层，并且沿指向质量块的悬臂梁长度方向，所述的压电层与金属衬底层的厚度均呈阶梯状逐渐减小。
进一步地，所述的压电层与金属衬底层上的阶梯状结构关于粘结层对称设置。
进一步地，所述的压电层上的阶梯状结构包括厚度依次减小的第一压电阶梯层、第二压电阶梯层以及第三压电阶梯层，所述的第三压电阶梯层与质量块相连接。
进一步地，所述的第一压电阶梯层、第二压电阶梯层以及第三压电阶梯层之间的厚度比为(2.8-3.2):(1.8-2.2):1；所述的第一压电阶梯层长度、第二压电阶梯层长度以及第二压电阶梯层至质量块间距之比为1:(0.9-1.1):(0.9-1.1)。第一压电阶梯层厚度不变的情况下，第一压电阶梯层越长，其所适配的第二压电阶梯层厚度越薄；第一压电阶梯层长度不变的情况下，第一压电阶梯层越厚，其所适配的第二压电阶梯层长度越长。以上效果对第三压电阶梯层同样适用。
进一步地，所述的压电层的厚度为100-500μm，所述的金属衬底层的厚度为100-1000μm，所述的粘结层的厚度为4-6μm。
进一步地，所述的金属衬底层一端伸出于压电层外，并作为金属夹持段与固定装置相连接。
进一步地，所述的粘结层材料包括导电银胶或环氧树脂导电胶；所述的金属衬底层材料包括铍青铜、磷青铜或不锈钢；所述的压电层包括PZT压电层。
一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
S1：分别在压电基材下侧与金属基板上侧丝网印刷粘结材料，相互夹紧后，置于真空烘箱中进行热压键合，得到自上而下依次设置的压电基层、粘结层以及金属基层，即悬臂梁坯料；
S2：采用光纤激光设备型号(RZY-BX-10B)激光波长为1064nm，最大工作线速为7000mm/s，工作线宽为0.015mm，对压电基层及金属基层表面进行阶梯式面烧蚀工艺，以分别形成相应的阶梯状结构，并得到压电层与金属衬底层；
S3：在压电层上表面与金属衬底层下表面分别粘结引线与质量块，再与固定装置相连接，即得到所述的阶梯式压电能量采集器。
进一步地，步骤S1中，所述的热压键合中，夹紧压力为0.1-1MPa，热压温度为50-200℃，热压时间为4-6h，真空度为60-90％。
进一步地，步骤S2中，所述的阶梯式面烧蚀工艺包括以下步骤：
S2-1：固定悬臂梁坯料，并使压电基层位于上侧，之后重复激光扫描压电基层表面以进行烧蚀减薄，直至形成第一阶梯，随后调整激光扫描位置，采用相同的方法依次形成其他阶梯，并得到具有阶梯状结构的压电层；
S2-2：采用同步骤S2-1的方法处理金属基层，得到具有阶梯状结构的金属衬底层。
其中，所述的激光扫描中，激光输出功率为5-20W，扫描速度为20-500mm/s，每次扫描后，压电基层烧蚀减厚10-40μm，金属基层烧蚀减厚5-30μm。激光功率过高或者扫描速度过慢会大尺度烧蚀压电层，难以精确控制减薄厚度，在小功率下的激光可进行重复扫描，精准控制每一层减薄的厚度。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明突破了传统压电薄膜的获取方法，通过激光设备减薄块材PZT后，可保留其高压电系数和温度特性，进而获取低频和高能量密度的微型能量采集器件；通过控制激光输出的功率范围，能有效避免压电材料过热而导致退极化；
2)通过本发明进行的激光阶梯面减薄工艺，能够在压电层根部侧产生较为均匀的应力范围，进而提升采能器的输出效率；同时，与传统悬臂梁固有频率较高的缺陷相比，该器件能有效降低固有频率，在自然环境和日常生活中有更为广泛的应用价值；
3)本发明中对金属基板一侧进行的激光阶梯式面减薄工艺，为获取更低谐振频率的能量采集器件提供了一种新的方法；
4)本发明提供的减薄方法采用激光面加工，并且与微细加工(MEMS工艺)兼容，制备得到的阶梯式压电能量采集器的精度高、重复性好、能大批量生产并且具有较高的灵活性；
5)本发明通过激光设备进行阶梯减薄工艺，在传统矩形悬臂梁上释放应力，获得低频、高输出和高能量密度的阶梯式压电能量采集器件，具有制备方法简单、可控性强、兼容性好等优点，所制备的阶梯状悬臂梁具有能量密度高、谐振频率低和输出电能高等优点，具有较为广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例中一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器的结构示意图；
图2为实施例中阶梯式压电能量采集器的制备工艺流程图；
图3为实施例中一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器的尺寸示意图；
图4为实施例中上下层均为阶梯状、只压电层为阶梯状和原型器件(即未加工的矩形悬臂梁)的峰值电压输出对比图；
附图标记：
1-压电层、101-第一压电阶梯层、102-第二压电阶梯层、103-第三压电阶梯层、11-压电基材、12-压电基层、2-金属衬底层、201-第一衬底阶梯层、202-第二衬底阶梯层、203-第三衬底阶梯层、21-金属基板、22-金属基层、3-粘结层、4-质量块、5-引线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
1)选取金属基板21，并对该金属基板21进行1-5min超声清洗与5-10min干燥处理；
2)选取压电基材11，并在压电基材11下侧与金属基板21上侧丝网印刷2-8μm粘结材料，采用夹具施加0.1-1MPa夹紧压力进行夹紧后，置于50-200℃、真空度为60-90％的真空烘箱中进行热压键合4-6h，得到自上而下依次设置的压电基层12、粘结层3以及金属基层22，取出后冷却至室温，得到悬臂梁坯料；
3)将悬臂梁坯料固定于激光平台上，并使压电基层12位于上侧，之后设置如下激光扫描参数：激光输出功率为5-20W，扫描速度为20-500mm/s，每次扫描后，压电基层12烧蚀减厚10-40μm，并采用光纤激光设备对压电基层12反复激光扫描以进行烧蚀减薄，直至形成第一阶梯，随后调整激光扫描位置，采用相同的方法依次形成其他阶梯，并得到具有阶梯状结构的压电层1；
4)调整悬臂梁坯料位置，使金属基层22位于上侧，之后设置如下激光扫描参数：激光输出功率为5-20W，扫描速度为20-500mm/s，每次扫描后，压电基层12烧蚀减厚5-30μm，并采用同步骤3的方法对金属基层22表面进行阶梯式面烧蚀工艺，形成相应的阶梯状结构，并得到具有阶梯状结构的金属衬底层2；
5)在压电层1上表面与金属衬底层2下表面分别粘结引线5与质量块4，再与固定装置相连接，即得到阶梯式压电能量采集器。
优选的，所得阶梯式压电能量采集器中，压电层1厚度为100-1000μm，金属衬底层2厚度为100-500μm，金属衬底层2一端伸出于压电层1外，并作为金属夹持段与固定装置相连接；更进一步优选的，压电层1与金属衬底层2上的阶梯状结构关于粘结层3对称设置，且相邻阶梯的厚度差相一致，并与最下层阶梯厚度相等；固定装置与质量块4之间的每层阶梯等长度均匀设置。
粘结层3材料包括导电银胶或环氧树脂导电胶；金属衬底层2材料包括铍青铜、磷青铜或不锈钢；压电层1材料包括PZT压电陶瓷材料，型号优选为PZT-7(日本富士陶瓷)，本文中使用的PZT的压电系数矩阵，弹性系数矩阵和介电系数矩阵分别用公式(1)(2)(3)表示。
以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器，包括悬臂梁，以及设于悬臂梁两端的固定装置与质量块4，其中悬臂梁结构如图1所示包括粘结层3以及对称设于粘结层3两侧的压电层1与金属衬底层2，并且沿指向质量块4的悬臂梁长度方向，压电层1与金属衬底层2的厚度均呈阶梯状逐渐减小。
具体的，压电层1上的阶梯状结构包括厚度依次减小的第一压电阶梯层101、第二压电阶梯层102以及第三压电阶梯层103，金属衬底层2上的阶梯状结构包括厚度依次减小的第一衬底阶梯层201、第二衬底阶梯层202以及第三衬底阶梯层203，第三压电阶梯层103及第三衬底阶梯层203分别与质量块4相连接，第一衬底阶梯层201超出于第一压电阶梯层101外，并作为金属夹持段与固定装置相连接。
如图2所示，本实施例还包括上述阶梯式压电能量采集器的激光面减薄加工方法，具体包括以下步骤：
A1：取200μm的铍青铜材质的金属基板21，并对该金属基板21进行5min的超声清洗以及10min干燥处理；
A2：取200μm的PZT压电基材11，分别干燥后的金属基板21上侧和压电基材11的下侧丝网印刷一层5μm厚度的导电银胶层31；
A3：使用夹具将金属基板21上侧和压电基材11下侧夹紧，夹紧压力为0.2MPa，并置于真空烘箱中，在100℃、100Pa真空度条件下，烘烤6h，使其热压键合，得到自上而下依次设置的压电基层12、粘结层3以及金属基层22，取出后冷却至室温，得到悬臂梁坯料；
A4：将悬臂梁坯料固定于激光平台上，并使压电基层12位于上侧，之后设置如下激光扫描参数：激光输出功率为5W，扫描速度为20mm/s，采用光纤激光设备对压电基层12进行烧蚀减薄，获得厚度为200μm的第一压电阶梯层101以及厚度为98μm的第二压电阶梯层102；
A5：设置如下激光扫描参数：激光输出功率为2W，扫描速度为20mm/s，采用同步骤A4的方法对第二压电阶梯层102进行烧蚀减薄，获得厚度为48μm的第三压电阶梯层103，并得到具有阶梯状结构的压电层1；
A6：设置如下激光扫描参数：激光输出功率为10W，扫描速度为50mm/s，采用光纤激光设备对金属基层22进行烧蚀减薄，获得厚度为200μm的第一衬底阶梯层201以及厚度为102μm的第二衬底阶梯层202；
A7：设置如下激光扫描参数：激光输出功率为5W，扫描速度为50mm/s，采用同步骤A6的方法对第二衬底阶梯层202进行烧蚀减薄，获得厚度为45μm的第三衬底阶梯层203，并得到具有阶梯状结构的金属衬底层2；
A8：在压电层1上表面与金属衬底层2下表面分别采用导电银胶粘结引线5与质量块4，再与固定装置相连接，即得到阶梯式压电能量采集器。
所得阶梯式压电能量采集器的具体尺寸如图3及表1所示。
表1
本实施例通过使压电层1与金属衬底层2的厚度比例1:1，即中性层位于衬底层一侧，可保证悬臂梁上下弯曲振动时压电层1所受到一致的应力，使得压电层产生有效应力。一般器件的力学中性层需处于金属衬底层，这样才能够保证复合悬臂梁结构发生形变时压电层均拥有相同的极化方向，避免产生电荷抵消。
与现有技术相比，本实施例突破了传统压电薄膜的获取方法，通过激光烧蚀进行的面减薄工艺，可操作性强，工艺简单具有较高的灵活性和广泛的应用价值。如图4所示，通过激光设备减薄块材PZT后，可保留其高压电系数和温度特性，能够获取低频和高能量密度的微型能量采集器件；通过控制激光输出的功率范围，能有效避免压电材料过热而导致退极化。
和目前制造的矩形悬臂梁式压电能量采集器相比，所制备的阶梯式能量采集器具有低频、高电压输出和高能量密度的特性。并且该制备工艺兼容性高，可与微细加工工艺相结合，实现大批量生产。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器，包括悬臂梁，以及设于悬臂梁两端的固定装置与质量块(4)，其特征在于，所述的悬臂梁包括自上而下依次设置的压电层(1)、粘结层(3)以及金属衬底层(2)，并且沿指向质量块(4)的悬臂梁长度方向，所述的压电层(1)与金属衬底层(2)的厚度均呈阶梯状逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器，其特征在于，所述的压电层(1)与金属衬底层(2)上的阶梯状结构关于粘结层(3)对称设置。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器，其特征在于，所述的压电层(1)上的阶梯状结构包括厚度依次减小的第一压电阶梯层(101)、第二压电阶梯层(102)以及第三压电阶梯层(103)，所述的第三压电阶梯层(103)与质量块(4)相连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器，其特征在于，所述的第一压电阶梯层(101)、第二压电阶梯层(102)以及第三压电阶梯层(103)之间的厚度比为(2.8-3.2):(1.8-2.2):1；所述的第一压电阶梯层(101)长度、第二压电阶梯层(102)长度以及第二压电阶梯层(102)至质量块(4)间距之比为1:(0.9-1.1):(0.9-1.1)。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器，其特征在于，所述的压电层(1)的厚度为100-500μm，所述的金属衬底层(2)的厚度为100-1000μm，所述的粘结层(3)的厚度为4-6μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器，其特征在于，所述的金属衬底层(2)一端伸出于压电层(1)外，并作为金属夹持段与固定装置相连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器，其特征在于，所述的粘结层(3)材料包括导电银胶或环氧树脂导电胶；所述的金属衬底层(2)材料包括铍青铜、磷青铜或不锈钢；所述的压电层(1)包括PZT压电层。
8.如权利要求1至7任一项所述的一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
S1：分别在压电基材(11)下侧与金属基板(21)上侧丝网印刷粘结材料，相互夹紧后，置于真空烘箱中进行热压键合，得到自上而下依次设置的压电基层(12)、粘结层(3)以及金属基层(22)，即悬臂梁坯料；
S2：采用激光设备对压电基层(12)及金属基层(22)表面进行阶梯式面烧蚀工艺，以分别形成相应的阶梯状结构，并得到压电层(1)与金属衬底层(2)；
S3：在压电层(1)上表面与金属衬底层(2)下表面分别粘结引线(5)与质量块(4)，再与固定装置相连接，即得到所述的阶梯式压电能量采集器。
9.根据权利要求8所述的一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述的热压键合中，夹紧压力为0.1-1MPa，热压温度为50-200℃，热压时间为4-6h，真空度为60-90％。
10.根据权利要求8所述的一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述的阶梯式面烧蚀工艺包括以下步骤：
S2-1：固定悬臂梁坯料，并使压电基层(12)位于上侧，之后重复激光扫描压电基层(12)表面以进行烧蚀减薄，直至形成第一阶梯，随后调整激光扫描位置，采用相同的方法依次形成其他阶梯，并得到具有阶梯状结构的压电层(1)；
S2-2：采用同步骤S2-1的方法处理金属基层(22)，得到具有阶梯状结构的金属衬底层(2)。
其中，所述的激光扫描中，激光输出功率为5-20W，扫描速度为20-500mm/s，每次扫描后，压电基层(12)烧蚀减厚10-40μm，金属基层(22)烧蚀减厚5-30μm。
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