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基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器及其制作工藝的制作方法

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基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器及其制作工藝的制作方法
【專利說(shuō)明】基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器及其制作工
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技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于可再生資源技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器及其制作工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電振動(dòng)能量收集器是利用材料的壓電效應(yīng)將環(huán)境中大量存在的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的器件,與當(dāng)前的MEMS技術(shù)結(jié)合,使其不僅具有體積小、壽命長(zhǎng)、易集成且與IC工藝兼容等優(yōu)點(diǎn),在重量、壽命、能量密度、補(bǔ)給速度、可靠性、成本等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì),成為目前解決微型電子裝置供能問(wèn)題的有效途徑,也是當(dāng)今國(guó)際微能源領(lǐng)域研宄的熱點(diǎn)之一。
[0003]我國(guó)疆域?qū)拸V,海域遼闊,電子封疆成為保衛(wèi)祖國(guó)每一寸土地及海域的有效手段之一,能源供給則是實(shí)現(xiàn)電子封疆的關(guān)鍵一環(huán),基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器為電子封疆的微型電子裝置的能源供給提供一種全新的思路,其結(jié)合了 MEMS微流控以及壓電微帶,可將風(fēng)能或水的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能,從而為微型電子裝置供電。
[0004]常規(guī)MEMS壓電振動(dòng)能量收集器取決于振動(dòng)式壓電懸臂或微型駐極體,只能在很窄的頻段或特定頻段內(nèi)有效工作,這種限制使得大多數(shù)的實(shí)際環(huán)境中都得放棄這些概念。因此,針對(duì)自然環(huán)境中的I?10Hz范圍間的低頻振動(dòng),如水的動(dòng)能等,開展基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器的研宄具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此,本發(fā)明的目的在于提供一種基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器及其制作工藝,可以在低頻振動(dòng)環(huán)境下高效獲取環(huán)境振動(dòng)能,如水的動(dòng)能、風(fēng)能等,并將其轉(zhuǎn)換為電能。
[0006]為達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0007]—種基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器,該能量收集器主要包括:玻璃上蓋、玻璃下蓋、以及能星轉(zhuǎn)換單兀;
[0008]玻璃上蓋和玻璃下蓋上下組合形成亥姆霍茲諧振腔,能量轉(zhuǎn)換單元安裝在亥姆霍茲諧振腔內(nèi);所述玻璃上蓋和玻璃下蓋的兩端開有開口,一端為進(jìn)風(fēng)口,另一端為出風(fēng)口 ;
[0009]所述能量轉(zhuǎn)換單元包括壓電懸臂梁、質(zhì)量塊、壓電材料以及上下電極;收集器工作時(shí),在亥姆霍茲諧振腔內(nèi)部形成渦流諧振,使諧振腔內(nèi)的質(zhì)量快帶動(dòng)懸臂梁發(fā)生形變,在壓電效應(yīng)作用下,產(chǎn)生電勢(shì)差,從而將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能。
[0010]進(jìn)一步,可以根據(jù)不同的環(huán)境情況,對(duì)亥姆霍茲諧振腔的開口尺寸進(jìn)行設(shè)定,只要能滿足其起振條件,即可實(shí)現(xiàn)在低頻條件下實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。
[0011]進(jìn)一步,所述壓電材料可采用與集成電路兼容的氮化鋁壓電薄膜材料或者其他壓電薄膜材料。
[0012]本發(fā)明還提供了一種基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器制作工藝,具體包括以下步驟:
[0013]I)采用總厚度為500um的SOI基片作為基底材料,頂層Si層(功能層)厚度為50-70um,底層Si層(結(jié)構(gòu)層)厚度為450um,夾層氧化層厚度為Ium ;
[0014]2)雙面熱氧化生長(zhǎng)300nm厚的5丨02層;
[0015]3)背面涂膠保護(hù),正面光刻1,剝離工藝制備下電極層Ti/Pt ;
[0016]4)生長(zhǎng)壓電材料AlN層,其厚度約為1200-1500nm,光刻2并圖形化;
[0017]5)生長(zhǎng)電極Al層,其厚度約為1000-1200nm,光刻3并圖形化;
[0018]6)光刻4,腐蝕上層S1Jl ;
[0019]7)背面去膠后濺射Al,光刻5,圖形化Al,腐蝕下層S12;
[0020]8) ICP刻蝕功能層Si,RIE正面去膠,RIE去除上層3丨02層;
[0021]9) ICP刻蝕結(jié)構(gòu)層Si ;
[0022]10)上蓋板圖形化后與功能層Si進(jìn)行鍵合;
[0023]11) ICP刻蝕結(jié)構(gòu)層Si,形成質(zhì)量塊圖形;
[0024]12)去除背面Al,ICP刻蝕結(jié)構(gòu)層Si至夾層S12;
[0025]13) RIE去除夾層Si02,下蓋板圖形化與結(jié)構(gòu)層Si鍵合。
[0026]本發(fā)明的有益效果在于:1)本發(fā)明提供的能量收集器,通過(guò)將低頻輸入振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成加壓的流體,使其同步隨機(jī)輸入振動(dòng)成為預(yù)定義的諧振頻率,從而得以充份利用來(lái)自完整低頻頻譜的振動(dòng);2)具有頻率低、頻帶寬等特點(diǎn),可廣泛用于與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、便攜式電子產(chǎn)品及微型電子裝置等,實(shí)現(xiàn)環(huán)境振動(dòng)能向電能的高效轉(zhuǎn)化。
【附圖說(shuō)明】
[0027]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚,本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明:
[0028]圖1為本發(fā)明能量收集器的裝配圖;
[0029]圖2為本發(fā)明能量收集器的三視圖;
[0030]圖3為本發(fā)明能量收集器的爆炸圖;
[0031]圖4為本發(fā)明所述方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面將結(jié)合附圖,對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0033]本發(fā)明提出的基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器,主要是利用輸入與輸出腔連接到特定幾何尺寸的微通道,以實(shí)現(xiàn)亥姆霍茲(Helmholtz)壓力諧振效果。通過(guò)耦合Helmholtz諧振以及所謂的渦旋洩離,進(jìn)一步增強(qiáng)了壓力振動(dòng),因此可實(shí)現(xiàn)低頻條件下,具有較寬的頻帶寬度。
[0034]圖1至3為本發(fā)明能量收集器的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖所示,該能量收集器主要包括:玻璃上蓋、玻璃下蓋、以及能量轉(zhuǎn)換單元;玻璃上蓋和玻璃下蓋上下組合形成亥姆霍茲諧振腔,能量轉(zhuǎn)換單元安裝在亥姆霍茲諧振腔內(nèi);所述玻璃上蓋和玻璃下蓋的兩端開有開口,一端為進(jìn)風(fēng)口,另一端為出風(fēng)口 ;
[0035]所述能量轉(zhuǎn)換單元包括壓電懸臂梁、質(zhì)量塊、壓電材料以及上下電極;收集器工作時(shí),在亥姆霍茲諧振腔內(nèi)部形成渦流諧振,使諧振腔內(nèi)的質(zhì)量快帶動(dòng)懸臂梁發(fā)生形變,在壓電效應(yīng)作用下,產(chǎn)生電勢(shì)差,從而將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能。
[0036]在液相環(huán)境下,液體進(jìn)入亥姆霍茲諧振腔,形成渦流諧振,使諧振腔內(nèi)的質(zhì)量快帶動(dòng)懸臂梁發(fā)生形變,在壓電效應(yīng)作用下,產(chǎn)生電勢(shì)差,為微電子裝置供電。同樣原理,風(fēng)經(jīng)由亥姆霍茲諧振腔的進(jìn)口,在腔室內(nèi)形成渦流諧振,進(jìn)而帶動(dòng)懸臂梁發(fā)生形變,實(shí)現(xiàn)風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)換。
[0037]該能量收集器可以根據(jù)不同的環(huán)境情況,對(duì)亥姆霍茲諧振腔的開口尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),只要能滿足其起振條件,即可實(shí)現(xiàn)在低頻條件下實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。同時(shí),該能量收集器可以根據(jù)不同的環(huán)境情況,對(duì)亥姆霍茲諧振腔的腔室大小進(jìn)行設(shè)計(jì)和懸臂梁、質(zhì)量快的尺寸進(jìn)行優(yōu)化,以保證其較寬的頻帶寬度。
[0038]該基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器的工作頻率是由腔體與開口的實(shí)體尺寸所決定,因而不受輸入流體的流速所影響,從而大幅簡(jiǎn)化后續(xù)相關(guān)電路的設(shè)計(jì),同時(shí)也提高了能量?jī)?chǔ)存效率。
[0039]圖4為本發(fā)明所述方法的流程示意圖,如圖所示,該工藝具體包括以下步驟:
[0040](I)采用總厚度為500um的SOI基片作為基底材料,頂層Si層(功能層)厚度為50-70um,底層Si層(結(jié)構(gòu)層)厚度為450um,夾層氧化層厚度約為lum,如圖4(a)所示;
[0041](2)雙面熱氧化生長(zhǎng)300nm厚的S1jl,如圖4(b)所示;
[0042](3)正面光刻I,剝離工藝制備下電極層Ti/Pt,如圖4(c)所示;
[0043](4)生長(zhǎng)壓電材料AlN層,其厚度約為1200-1500nm,光刻2并圖形化后如圖4(d)所示;
[0044](5)生長(zhǎng)電極Al層,其厚度約為1000_1200nm,光刻3,圖形化后如圖4(e)所示;
[0045](6)背面涂膠保護(hù),光刻4,腐蝕上層S1Jl,如圖4 (f)所示;
[0046](7)背面去膠后濺射Al,光刻5,圖形化Al,腐蝕下層S12如圖4(g)所示;
[0047](8) ICP刻蝕功能層Si,RIE正面去膠,RIE去除上層S1jl,如圖4(h)所示;
[0048](9) ICP刻蝕結(jié)構(gòu)層Si,如圖4⑴所示;
[0049](10)上蓋板圖形化后與功能層Si進(jìn)行鍵合,如圖4(j)所示;
[0050](11) ICP刻蝕結(jié)構(gòu)層Si,形成質(zhì)量塊圖形,如圖4(k)所示;
[0051](12)去除背面Al,ICP刻蝕結(jié)構(gòu)層Si至夾層S12,如圖4(1)所示;
[0052](13) RIE去除夾層Si02,下蓋板圖形化與結(jié)構(gòu)層Si鍵合,如圖4(m)所示。
[0053]最后說(shuō)明的是,以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制,盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述,但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變,而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器,其特征在于:該能量收集器主要包括:玻璃上蓋、玻璃下蓋、以及能量轉(zhuǎn)換單元; 玻璃上蓋和玻璃下蓋上下組合形成亥姆霍茲諧振腔,能量轉(zhuǎn)換單元安裝在亥姆霍茲諧振腔內(nèi);所述玻璃上蓋和玻璃下蓋的兩端開有開口,一端為進(jìn)風(fēng)口,另一端為出風(fēng)口 ; 所述能量轉(zhuǎn)換單元包括壓電懸臂梁、質(zhì)量塊、壓電材料以及上下電極;收集器工作時(shí),在亥姆霍茲諧振腔內(nèi)部形成渦流諧振,使諧振腔內(nèi)的質(zhì)量快帶動(dòng)懸臂梁發(fā)生形變,在壓電效應(yīng)作用下,產(chǎn)生電勢(shì)差,從而將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器,其特征在于:可以根據(jù)不同的環(huán)境情況,對(duì)亥姆霍茲諧振腔的開口尺寸進(jìn)行設(shè)定,只要能滿足其起振條件,即可實(shí)現(xiàn)在低頻條件下實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器,其特征在于:所述壓電材料可采用與集成電路兼容的氮化鋁壓電薄膜材料或者其他壓電薄膜材料。
4.一種基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器制作工藝,其特征在于:包括以下步驟: 1)采用總厚度為500um的SOI基片作為基底材料,頂層Si層(功能層)厚度為50-70um,底層Si層(結(jié)構(gòu)層)厚度為450um,夾層氧化層厚度為Ium ; 2)雙面熱氧化生長(zhǎng)300nm厚的5102層; 3)背面涂膠保護(hù),正面光刻1,剝離工藝制備下電極層Ti/Pt; 4)生長(zhǎng)壓電材料AlN層,其厚度約為1200-1500nm,光刻2并圖形化; 5)生長(zhǎng)電極Al層,其厚度約為1000-1200nm,光刻3并圖形化; 6)光刻4,腐蝕上層S12層; 7)背面去膠后濺射Al,光刻5,圖形化Al,腐蝕下層S12; 8)ICP刻蝕功能層Si,RIE正面去膠,RIE去除上層S1jl ; 9)ICP刻蝕結(jié)構(gòu)層Si ; 10)上蓋板圖形化后與功能層Si進(jìn)行鍵合; IDICP刻蝕結(jié)構(gòu)層Si,形成質(zhì)量塊圖形; 12)去除背面Al,ICP刻蝕結(jié)構(gòu)層Si至夾層S12; 13)RIE去除夾層Si02,下蓋板圖形化與結(jié)構(gòu)層Si鍵合。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于亥姆霍茲效應(yīng)的低頻壓電振動(dòng)能量收集器及其制作工藝,屬于可再生資源技術(shù)領(lǐng)域。該能量收集器包括:玻璃上蓋、玻璃下蓋、以及能量轉(zhuǎn)換單元;玻璃上蓋和玻璃下蓋上下組合形成亥姆霍茲諧振腔,能量轉(zhuǎn)換單元安裝在亥姆霍茲諧振腔內(nèi);所述玻璃上蓋和玻璃下蓋的兩端開有開口;能量轉(zhuǎn)換單元包括壓電懸臂梁、質(zhì)量塊、壓電材料以及上下電極;收集器工作時(shí),在亥姆霍茲諧振腔內(nèi)部形成渦流諧振,使諧振腔內(nèi)的質(zhì)量快帶動(dòng)懸臂梁發(fā)生形變,在壓電效應(yīng)作用下,產(chǎn)生電勢(shì)差,從而將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能。該能量收集器具有頻率低、頻帶寬等特點(diǎn),可廣泛用于與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、便攜式電子產(chǎn)品及微型電子裝置等,實(shí)現(xiàn)環(huán)境振動(dòng)能向電能的高效轉(zhuǎn)化。
【IPC分類】H02N2-18
【公開號(hào)】CN104821745
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510289733
【發(fā)明人】尚正國(guó), 李東玲, 佘引
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年5月29日
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