專利名稱：一種碰撞式微型能量采集陣列結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于可再生能源領(lǐng)域，特別涉及到基于微機電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystems)技術(shù)的微能源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于MEMS技術(shù)的微型能量采集系統(tǒng)可以將環(huán)境中的機械能、熱能、電磁能(包括光能)等轉(zhuǎn)換為電能，同傳統(tǒng)電池相比，具有小體積、低成本、長壽命、易集成、不需更換或充電等優(yōu)點，特別適合于為無線傳感節(jié)點、便攜電子產(chǎn)品等供電，近年來受到國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注。由于振動能和風能在環(huán)境中廣泛存在，國內(nèi)外對MEMS微型振動能采集系統(tǒng)和MEMS微型風能采集系統(tǒng)開展了大量研究。目前報道的MEMS微型振動能采集系統(tǒng)大多基于諧振機理，只有當環(huán)境振動頻率與其固有頻率匹配時，采集系統(tǒng)才有較大輸出功率；一旦環(huán)境振動頻率偏離其固有頻率，輸出功率急劇降低。根據(jù)調(diào)查，實際應用環(huán)境中可供利用的振動能大多具有低頻、寬帶特征，建筑物、樹木、人體、汽車等應用環(huán)境的振動能主要部分均集中于50Hz以下的較寬頻帶內(nèi)，而現(xiàn)有MEMS振動能采集系統(tǒng)對這種低頻、寬帶振動能的采集效率很低，難以滿足無線傳感節(jié)點等的用電需求。同包含轉(zhuǎn)動部件的微型風能采集系統(tǒng)相比，基于風致振動機理的微型風能采集系統(tǒng)不包含轉(zhuǎn)動部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于采用MEMS工藝加工等優(yōu)點，逐步成為微型風能采集系統(tǒng)研究的重點。但是，目前基于MEMS技術(shù)的風能采集系統(tǒng)目前尚存在工作風速高、輸出功率低等問題，距實際應用需求尚有較大差距。由以上分析可見，為了在無線傳感、便攜電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到應用，MEMS微型振動能采集系統(tǒng)對低頻、寬帶振動能的采集效率尚待提高，MEMS微型風能采集系統(tǒng)對中低速風能的采集效率尚待提高。另外，環(huán)境中往往同時存在振動能和風能，但目前報道的微型能量采集系統(tǒng)只采集其中的一種能量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明受風鈴的結(jié)構(gòu)和工作原理啟發(fā)，提出一種可以同時采集環(huán)境中的低頻、寬帶振動能和中低速風能的碰撞式微型能量采集陣列結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
一種碰撞式微型能量采集陣列結(jié)構(gòu)，由基座和懸掛固定于基座上的能量采集陣列構(gòu)成，所述能量采集陣列是由多個分離的采集單元按陣列布置構(gòu)成，其中每個采集單元包括柔性帶、襯底、壓電復合梁、質(zhì)量塊和碰撞擋塊。質(zhì)量塊通過壓電復合梁與襯底連接，碰撞擋塊固定于襯底上，襯底通過柔性帶懸掛固定于基座上。各采集單元柔性帶的長度略有差異，柔性帶長度大于壓電復合梁和質(zhì)量塊長度之和的0.2倍，小于壓電復合梁和質(zhì)量塊的長度之和的5倍，以使各采集單元的動力特性略有不同。
各采集單元的柔性帶之間的距離大于壓電復合梁和質(zhì)量塊的長度之和的0.2倍，小于壓電復合梁和質(zhì)量塊的長度之和，以使在環(huán)境振動及風的作用下，各單元產(chǎn)生擺動并能在碰撞擋塊處發(fā)生相互碰撞。采用以上結(jié)構(gòu)，在環(huán)境振動及風的作用下，各能量采集單元將發(fā)生不同步的擺動，導致各單元在碰撞擋塊處發(fā)生相互碰撞，碰撞力導致采集單元的質(zhì)量塊和壓電復合梁發(fā)生較強烈的振動，由于壓電效應，復合梁上的壓電層上、下表面之間將產(chǎn)生交變電勢差，利用該電勢差就可以為儲能器充電或直接為某些負載供電。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:
1、本發(fā)明提出的碰撞式微型能量采集陣列同風鈴相似，利用由柔性帶懸掛的結(jié)構(gòu)在中低速風作用下易于發(fā)生擺動，以及具有不同柔性帶長度的單元之間易于發(fā)生碰撞的現(xiàn)象，可以高效采集環(huán)境中的中低速風能；
2、本發(fā)明提出的碰撞式微型能量采集陣列中各柔性帶的剛度很低，采集單元固有頻率低，同時由于各采集單元的固有頻率略有差異，因此當環(huán)境低頻振動的頻率在較寬頻帶內(nèi)變化時，總有幾個采集單元的頻率與環(huán)境振動頻率接近，產(chǎn)生較大幅度的振動，并與附近的采集單元發(fā)生相互碰撞，使其壓電復合梁和質(zhì)量塊產(chǎn)生振動并進一步利用壓電效應將振動能轉(zhuǎn)換為電能，由此可見，該碰撞式微型能量采集陣列可以實現(xiàn)對環(huán)境中低頻、寬帶振動能的高效采集；
3、本發(fā)明提出碰撞式能量采集陣列可以采用MEMS技術(shù)和微組裝技術(shù)加工，因此具有尺寸小、成本低等優(yōu)點；
4、本發(fā)明提出的碰撞式能量采集陣列可以同時采集環(huán)境中的振動能和風能，同目前只采集振動能或風能的微型能量采集系統(tǒng)相比，該碰撞式能量采集陣列的環(huán)境適用性更強，應用范圍更廣，可廣泛應用于無線傳感、便攜電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。


圖1是碰撞式微型能量采集陣列結(jié)構(gòu)的示意 圖2是熱氧化的二氧化硅示意 圖3是淀積下電極和壓電層后，圖形化的壓電層示意 圖4是圖形化的下電極示意 圖5是淀積并圖形化的上電極不意 圖6是襯底正面形成的釋放槽示意 圖7是襯底背面淀積并圖形化的掩膜示意 圖8是從襯底背面釋放結(jié)構(gòu)后得到的固定于硅襯底上的壓電復合梁和質(zhì)量塊的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細描述。如圖1所示，一種碰撞式微型能量采集陣列結(jié)構(gòu)，其主要由基座I和固定于基座上的能量采集單元構(gòu)成，能量采集單元按陣列布置，每個能量采集單元由柔性帶2、襯底3、壓電復合梁4、質(zhì)量塊5和碰撞擋塊6構(gòu)成。質(zhì)量塊5通過壓電復合梁4與襯底3連接，碰撞擋塊6固定于襯底3上，襯底3通過柔性帶2懸掛固定于基座I上，各能量采集單元的柔性帶2的長度略有差異，使各采集單元的動力特性(固有頻率、振型等)略有不同，這些具有不同動力特性的單元在振動和風作用下的擺動不一致，更易于發(fā)生相互碰撞。在風作用下，碰撞式微型能量采集陣列的采集單元將產(chǎn)生低頻擺動，當風速超過某特定值(臨界風速)時，陣列中的MEMS能量采集單元之間將發(fā)生相互碰撞，該碰撞將對固定與襯底上的壓電復合梁和質(zhì)量塊產(chǎn)生一個碰撞力脈沖，導致壓電復合梁和質(zhì)量塊振動，壓電復合梁上的壓電膜將把振動能轉(zhuǎn)換為電能，最終實現(xiàn)了將風能轉(zhuǎn)換為電能的目的。由于柔性帶很柔軟，以上能量采集單元在中低速風的作用下就可以產(chǎn)生較大幅度的擺動并發(fā)生相互碰撞，因此本發(fā)明提出的碰撞式微型能量采集陣列可以實現(xiàn)對中低速風能的采集。柔性帶剛度很低，各能量采集單元的固有頻率很低，另外，由于各采集單元的固有頻率略有差異，因此當環(huán)境振動頻率較低，并在較寬頻帶內(nèi)變化時，總有幾個能量采集單元的頻率與振動頻率接近，產(chǎn)生較 大幅度的振動，并與附近的能量采集單元發(fā)生相互碰撞，使壓電復合梁和質(zhì)量塊發(fā)生較強烈的振動，壓電復合梁上得壓電膜將會把這種振動能轉(zhuǎn)換為電能。由此可見，本發(fā)明提出的碰撞式微型能量采集陣列可以實現(xiàn)對環(huán)境中低頻、寬帶振動能的米集。由上述分析還可見，在振動和風聯(lián)合作用下，本發(fā)明提出的碰撞式微型能量采集陣列也可以同時采集環(huán)境中的振動能和風能。壓電復合梁、質(zhì)量塊采用硅微加工工藝制作，基座I采用精密機械加工方法制作，柔性帶2采用非硅工藝制作，或者直接采用塑料薄膜。襯底和柔性帶2采用AB膠粘接。固定于襯底上的壓電復合梁和質(zhì)量塊采用硅微加工工藝制作，具體加工工藝如下:
1、選取單面拋光的單晶硅片作為襯底3，首先通過熱氧化生長約200nm的二氧化硅(SiO2)層7，如圖2所示。2、采用濺射工藝在襯底正面生長120nm/150nm的鈦/鉬(Ti/Pt)層作為下電極8，進一步采用濺射工藝在襯底正面生長厚度約200nm的氮化鋁(AlN)作為壓電層9，襯底正面涂光刻膠，正面第I次光刻，并通過濕法腐蝕對AlN膜進行圖形化，去除光刻膠，形成壓電層圖形，如圖3所示。3、襯底正面涂光刻膠，正面第2次光刻，并通過濕法腐蝕分別腐蝕Pt層和Ti層至下面的SiO2層，去除光刻膠，形成下電極圖形，如圖4所示。4、采用濺射法在襯底正面生長120nm/150nm的Ti/Pt層作為上電極10，襯底正面涂光刻膠，正面第3次光刻，并通過濕法腐蝕分別腐蝕Pt層和Ti層，去除光刻膠，形成上電極圖形，如圖5所示。5、在襯底正面涂厚光刻膠，正面第4次光刻，濕法腐蝕SiO2層，進一步采用感應耦合等離子刻蝕從襯底正面刻蝕單晶硅層3(Γ50μπι，去除光刻膠，形成正面釋放槽圖形11，如圖6所示。6、采用濺射法在襯底背面濺射厚度300nm的鋁(Al)層12，在襯底背面涂光刻膠，背面第I次光刻，濕法腐蝕Al層和SiO2層，去除光刻膠，形成Al掩膜圖形，如圖7所示。7、采用感應耦合等離子刻蝕從襯底背面刻蝕單晶硅層至刻透釋放槽，得到釋放了的微結(jié)構(gòu)，最后得到固定于硅襯底上的壓電復合梁和質(zhì)量塊，如圖8所示。
以上壓電層也可以不用AlN材料，而改用PZT、PVDF、ZnO等，壓電層的制備也可以
采用溶膠-凝膠等其它方法。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換(如利用電磁感應或靜電原理實現(xiàn)振動能到電能的轉(zhuǎn)換，以及采用其他工藝制作各部件等)，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種碰撞式微型能量采集陣列結(jié)構(gòu)，其由基座(I)和懸掛固定于基座上的能量采集陣列構(gòu)成，其特征在于:所述能量采集陣列是由多個分離的采集單元按陣列布置構(gòu)成，每個采集單元包括柔性帶(2)、襯底(3)、壓電復合梁(4)、質(zhì)量塊(5)和碰撞擋塊(6)，質(zhì)量塊通過壓電復合梁與襯底連接，碰撞擋塊固定于襯底上，襯底通過柔性帶懸掛于基座上；所述各采集單元的柔性帶的長度不同，導致各采集單元的動力特性存在差異，目的是使各采集單元在環(huán)境振動和風作用下的擺動不同步；并且所述各采集單元的柔性帶之間的距離大于壓電復合梁和質(zhì)量塊的長度之和的0.2倍，小于壓電復合梁和質(zhì)量塊的長度之和，柔性帶長度大于壓電復合梁和質(zhì)量塊長度之和的0.2倍，小于壓電復合梁和質(zhì)量塊的長度之和的5倍，使各采集單元在不同步的擺動中發(fā)生相互碰撞； 當不同步的擺動導致各采集單元之間發(fā)生相互碰撞，碰撞使壓電復合梁和質(zhì)量塊發(fā)生較強烈的振動，壓電復合梁中的壓電層進一步將振動能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)風能和振動能的采集。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碰撞式微型能量采集陣列結(jié)構(gòu)，其主要由基座和固定于基座上的采集單元陣列構(gòu)成，每個采集單元由柔性帶、襯底、壓電復合梁、質(zhì)量塊和碰撞擋塊構(gòu)成；質(zhì)量塊通過壓電復合梁與襯底連接，碰撞擋塊固定于襯底上，襯底通過柔性帶固定于基座上，各單元柔性帶的長度略有差異。在環(huán)境振動及風作用下，各采集單元將發(fā)生不同步擺動，導致各單元之間發(fā)生相互碰撞，碰撞力導致質(zhì)量塊和壓電復合梁發(fā)生振動，復合梁上的壓電層進一步將振動能轉(zhuǎn)換為電能。本發(fā)明提出的碰撞式微型能量采集陣列可以同時采集振動能和風能，對環(huán)境中常見的低頻、寬帶振動能和中低速風能具有高采集效率，對于目前只采集振動能或風能的微型能量采集系統(tǒng)而言，具有更大的環(huán)境適應性和更廣的應用范圍，可促進MEMS能量采集系統(tǒng)在無線傳感等領(lǐng)域的廣泛應用。
文檔編號B81B3/00GK103166504SQ20131011472
公開日2013年6月19日 申請日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者賀學鋒 申請人:重慶大學