一種寬頻壓電式mems振動能量采集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種能量采集裝置，尤其涉及一種寬頻壓電式MEMS振動能量采集器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的逐步發(fā)展，其應(yīng)用已從軍事防御普及到環(huán)境監(jiān)測、交通管理等社會各個領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有數(shù)量多、低功耗、分布復(fù)雜等特點(diǎn)，傳統(tǒng)有線供電及電池供電等方式不能滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的長期穩(wěn)定供電需求。因此，新型供電方法為解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)長期穩(wěn)定的供電問題提供了新的思路。
[0003]能量采集技術(shù)可以將環(huán)境中的振動能、光能、輻射能、熱能等轉(zhuǎn)化為電能，將其儲存在電容或電池等儲能元件中，實(shí)現(xiàn)為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。振動能作為環(huán)境中普遍存在的一種能量，振動能量采集技術(shù)主要包括壓電式、電磁式、靜電式和磁致伸縮式。電磁式能量采集器輸出能量較小，且受到芯片尺寸限制；靜電式能量采集器由于需要外加電源，應(yīng)用有限；磁致伸縮式能量采集器件的理論模型和參數(shù)優(yōu)化尚未形成完整體系，目前仍處于嘗試探索階段。相對于其他方式，基于壓電效應(yīng)的振動能量采集裝置具有結(jié)構(gòu)相對簡單、高能量密度、無電磁干擾、且不需要額外電源供電等優(yōu)點(diǎn)，成為了振動能量采集領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。
[0004]而當(dāng)前基于壓電式的MEMS振動能量采集器還存在工作頻帶窄、輸出功率低、諧振頻率高等缺點(diǎn)，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。基于此，本實(shí)用新型提出了一種寬頻響應(yīng)的壓電式MEMS振動能量采集器，以解決現(xiàn)有MEMS能量采集器件諧振頻率高、輸出功率低、工作頻率范圍窄等問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有MEMS振動能量采集器諧振頻率高、輸出能量低、工作頻率范圍窄的問題，提出了一種寬頻壓電式MEMS振動能量采集器，以懸臂梁-質(zhì)量塊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為基本芯片單元的多芯片陣列化集成器件。
[0006]本實(shí)用新型的寬頻壓電式MEMS振動能量采集器，包括外圍基底以及若干集成在所述外圍基底上串聯(lián)輸出、諧振頻率接近的基礎(chǔ)芯片，所述基礎(chǔ)芯片包括框架、一端分別與所述框架內(nèi)表面連接的若干懸臂梁、以及由各所述懸臂梁另一端支撐的質(zhì)量塊，各所述懸臂梁均包括兩相串聯(lián)的壓電振子。
[0007]進(jìn)一步的，所述懸臂梁包括壓電層、覆蓋在所述壓電層上表面且斷開的上電極層、以及覆蓋在所述壓電層下表面的下電極層以構(gòu)成兩相串聯(lián)的所述壓電振子。
[0008]進(jìn)一步的，所述框架內(nèi)表面至少連接有四個均勻分布的所述懸臂梁。
[0009]進(jìn)一步的，所述外圍基底上設(shè)有若干外接引線鍵合焊盤，所述上電極層與所述下電極層與所述外接引線鍵合焊盤之間均連接有引線。
[0010]進(jìn)一步的，所述壓電層為PZT壓電薄膜。
[0011]進(jìn)一步的，所述外圍基底上集成有四個陣列分布的所述基礎(chǔ)芯片。
[0012]借由上述方案，本實(shí)用新型至少具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0013]1、基于PZT壓電薄膜壓電效應(yīng)的懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)芯片，有效增大器件的輸出能量，具有易與環(huán)境產(chǎn)生共振的特點(diǎn)；
[0014]2、采用諧振頻率相近的多基礎(chǔ)芯片陣列組合可在較寬的頻帶范圍內(nèi)響應(yīng)且均有較大能量輸出，具有工作頻帶寬、輸出能量高的特點(diǎn)。
[0015]上述說明僅是本實(shí)用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實(shí)用新型的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
【附圖說明】
[0016]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0017]圖2為本實(shí)用新型的基礎(chǔ)芯片立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3為本實(shí)用新型的基礎(chǔ)芯片平面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本實(shí)用新型，但不用來限制本實(shí)用新型的范圍。
[0020]參見圖1至圖3，一種寬頻壓電式MEMS振動能量采集器為多基礎(chǔ)芯片20陣列化集成器件，包括四組固定在外圍基底10上基礎(chǔ)芯片20。外圍基底10上固定有外接引線鍵合焊盤11 ;基礎(chǔ)芯片20包括框架21、一端分別與框架21內(nèi)表面連接的若干懸臂梁22、以及由各懸臂梁22另一端支撐的質(zhì)量塊23，各懸臂梁22均包括壓電層30、覆蓋在壓電層30上表面且斷開的上電極層40、以及覆蓋在壓電層30下表面的下電極層50以構(gòu)成兩相串聯(lián)的壓電振子。各基礎(chǔ)芯片20的壓電層30的極化表面與外接引線鍵合焊盤11之間均連接有引線，以使得各基礎(chǔ)芯片20串聯(lián)輸出。
[0021 ] 具體實(shí)施時，各基礎(chǔ)芯片20分別選取結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不同的懸臂梁22與質(zhì)量塊23，以使得各基礎(chǔ)芯片20的諧振頻率相接近，各基礎(chǔ)芯片20的懸臂梁22的數(shù)目均為四個，四個懸臂梁22的外端面分別均勻地固定在矩形框架21的內(nèi)表面，質(zhì)量塊23同時固定于四個懸臂梁22的內(nèi)端面，將懸臂梁22上的壓電層的上表面左右兩端覆蓋上電極層40，即將上電極層40在中間位置處斷開，這樣，壓電層30共用下電極層50，上電極層40斷開的方式可使得懸臂梁22上的壓電轉(zhuǎn)換率達(dá)到最大。
[0022]優(yōu)選的，本實(shí)用新型中的壓電層采用PZT壓電薄膜，具有高靈敏度和低電噪聲的特點(diǎn)，具有很高的相應(yīng)速度和較大的輸出應(yīng)力。
[0023]具體工作過程如下:各懸臂梁22與質(zhì)量塊23組成的基礎(chǔ)芯片20分別因環(huán)境中的機(jī)械振動帶動而振動，質(zhì)量塊23帶動懸臂梁22產(chǎn)生彎曲形變，使得懸臂梁22上的PZT壓電薄膜內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，并在其表面出現(xiàn)異號極化電荷，由此將振動信號轉(zhuǎn)換成電信號。在此過程中，懸臂梁22內(nèi)外兩端受到的作用力相反，分別為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，因此PZT壓電薄膜內(nèi)外兩端極化表面產(chǎn)生的電荷也相反，通過采用下電極共用，上電極斷開的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)外兩端PZT壓電薄膜的串聯(lián)，增加輸出電能。進(jìn)一步地，各基礎(chǔ)芯片20串聯(lián)固定在外圍基底10上，外圍基底10上固定有外接引線鍵合焊盤11，ΡΖΤ壓電薄膜上下表面的電極與外接引線焊盤11之間均連接有引線，工作時，通過引線和外接引線鍵合焊盤11將電信號輸出。
[0024]本實(shí)用新型為多芯片陣列器件，各基礎(chǔ)芯片20選取為諧振頻率接近的懸臂梁22-質(zhì)量塊23結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中某一基礎(chǔ)芯片20與環(huán)境達(dá)到共振時，輸出能量最大，其他基礎(chǔ)芯片20也以接近于最大化能量輸出；同樣，當(dāng)在另一振動環(huán)境中另一基礎(chǔ)芯片20可達(dá)到共振時，輸出能量最大，其他基礎(chǔ)芯片20同樣以接近最大化能量輸出；最后通過外圍基底10將各基礎(chǔ)芯片20輸出的能量串聯(lián)，達(dá)到輸出能量最大化。這樣可以有效利用各基礎(chǔ)芯片20的輸出能量，增加了器件的輸出；各諧振頻率接近的多基礎(chǔ)芯片20的組合也拓寬了器件的頻率響應(yīng)范圍，適用于更多應(yīng)用環(huán)境。
[0025]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本實(shí)用新型，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種寬頻壓電式MEMS振動能量采集器，其特征在于:包括外圍基底以及若干集成在所述外圍基底上串聯(lián)輸出、諧振頻率接近的基礎(chǔ)芯片，所述基礎(chǔ)芯片包括框架、一端分別與所述框架內(nèi)表面連接的若干懸臂梁、以及由各所述懸臂梁另一端支撐的質(zhì)量塊，各所述懸臂梁均包括兩相串聯(lián)的壓電振子。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻壓電式MEMS振動能量采集器，其特征在于:所述懸臂梁包括壓電層、覆蓋在所述壓電層上表面且斷開的上電極層、以及覆蓋在所述壓電層下表面的下電極層以構(gòu)成兩相串聯(lián)的所述壓電振子。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻壓電式MEMS振動能量采集器，其特征在于:所述框架內(nèi)表面至少連接有四個均勻分布的所述懸臂梁。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻壓電式MEMS振動能量采集器，其特征在于:所述外圍基底上設(shè)有若干外接引線鍵合焊盤，所述上電極層與所述下電極層與所述外接引線鍵合焊盤之間均連接有引線。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻壓電式MEMS振動能量采集器，其特征在于:所述壓電層為PZT壓電薄膜。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的寬頻壓電式MEMS振動能量采集器，其特征在于:所述外圍基底上集成有四個陣列分布的所述基礎(chǔ)芯片。
【專利摘要】本實(shí)用新型提出了一種寬頻響應(yīng)的壓電式MEMS振動能量采集器，通過將環(huán)境中的振動能轉(zhuǎn)換為電能，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。采用易與環(huán)境產(chǎn)生共振的懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)芯片，利用多基礎(chǔ)芯片陣列集成來提高能量采集器件的總輸出電能，利用各基礎(chǔ)芯片不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)來拓寬頻帶范圍，以應(yīng)用于多種振動環(huán)境。本實(shí)用新型提出的能量采集裝置具有寬頻響應(yīng)能力，拓寬了工作響應(yīng)頻段，多基礎(chǔ)芯片集成具有高的輸出能量，通過該裝置對環(huán)境振動能量進(jìn)行收集，具備自供電、穩(wěn)定、可持續(xù)等優(yōu)勢，有望解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用系統(tǒng)的自供電問題。
【IPC分類】H02N2/18
【公開號】CN205142048
【申請?zhí)枴緾N201520858032
【發(fā)明人】陳婷婷
【申請人】蘇州工業(yè)園區(qū)納米產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年10月29日