【技术领域】
本发明涉及一种收集环境中振动能量的能量收集器及其制备方法，特别地涉及一种基于电磁感应原理的谐振型振动能量收集器及其制备方法。
背景技术：
能量收集器可拾取环境能量(如辐射、温差、振动等)并转化为电能为系统供电。与传统的电化学电池比较，能量收集器具有经济、环保且理论上无寿命限制等优点，因此符合能源的未来发展趋势，非常适合于为物联网、可穿戴设备等新兴领域提供电能。太阳能、电磁辐射、温差、振动等都是可拾取的环境能源，与其它环境能源相比，振动是一种分布广泛的能量源，因此，振动能量收集器具有广阅的发展和应用前景。
在各种类型的振动能量收集器中，基于法拉第电磁感应原理的电磁式振动能量收集器的发展最为成熟。一个典型的电磁式能量收集器主要由电感线圈和永磁体两部分构成，其中，电感线圈(或永磁体)设置在悬臂梁等可动结构上，而永磁体(或电感线圈)则设置在固定结构上，在振动环境中，电感线圈和永磁体发生相对运动，进而在电感线圈中产生感应电流。为了提高能量收集效率，要求该类电磁式能量收集器工作在谐振状态附近(即要求收集器中拾振结构(如悬臂梁、薄膜等)的固有频率接近外界环境中的振动频率)，但是，环境中的振动具有频带宽且多变的特点，另一方面，目前的电磁式振动能量收集器通常只存在单一的谐振结构(或谐振频率)，它的能量收集效率较低。因此，有必要提出一种新的电磁式振动能量收集器。
技术实现要素：
基于上述问题，本发明提供了一种电磁式振动能量收集器，其包括：
相互堆叠的第一衬底和第二衬底；所述第一衬底经刻蚀形成悬臂梁结构，其中，所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽、所述第一凹槽上方为悬臂梁结构；所述第二衬底的上表面形成有第二凹槽；
所述第二凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第二凹槽相对堆叠且形成腔体；
所述第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一电磁拾振结构，所述第二衬底的下表面设置有第二电磁拾振结构。
优选地，还包括设置在所述悬臂梁结构末端的质量块。
优选地，所述第一电磁拾振结构包括设置在所述第一悬臂梁表面的第一电感线圈层；和/或所述第二电磁拾振结构包括设置在所述第二衬底的下表面的第二电感线圈层。
优选地，所述第一电感线圈层与所述第一衬底之间、所述第二电感线圈层与所述第二衬底之间设置有绝缘层。
优选地，所述第一凹槽、所述第二凹槽的表面设置有绝缘层。
本发明还提供了一种电磁式振动能量收集器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
选择第一衬底，刻蚀所述第一衬底的下表面，形成第一凹槽结构；
在所述第一衬底的上表面沉积并刻蚀形成第一电感线圈层；
刻蚀所述第一衬底的上表面，形成悬臂梁结构；
选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的上表面，形成第二凹槽结构；
在所述第二衬底的上表面形成的所述第二凹槽结构内安装永磁体；
在所述第二衬底的下表面沉积形成第二电感线圈层；
将所述第一衬底的第一凹槽结构正对所述第二衬底的第二凹槽结构进行组装，制成所述电磁式振动能量收集器。
优选地，还包括以下步骤：在所述第一凹槽结构、所述第二凹槽结构表面沉积绝缘层。
优选地，还包括以下步骤：在所述第一悬臂梁结构末端安装质量块。
优选地，所述组装包括键合工艺。
优选地，所述第一衬底和所述第一电感线圈层以及所述第二衬底和所述第二电感线圈之间沉积有绝缘层。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的电磁式能量收集器具有两组谐振频率不同的拾振结构，可以实现对环境中的振动进行宽频带、高效率的拾取，因此，本发明的能量收集器具有高的能量收集效率和高的输出功率；
(2)采用两组电感线圈进行能量收集，这进一步提高了收集器的能量收集效率和输出功率；在面积与现有的电磁式能量收集器相比并无明显增加的情况下，本发明的能量收集器还具有结构紧凑、输出功率密度高(w/cm2)以及易于小型化的优点。
(3)本发明采用mems技术制备，能量收集器还具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造、制造成本低的优点。
【附图说明】
图1为本发明的电磁式振动能量收集器的剖面结构示意图；
图2为本发明的电磁式振动能量收集器中第一电感线圈层的平面结构俯视图。
图中：10、第一衬底，11、第一绝缘层，12、第一电感线圈层，13、质量块，14、第二绝缘层，15、第一凹槽，20、第二衬底，21、第三绝缘层，22、第二电感线圈层，23、永磁体，24、第四绝缘层，25、第二凹槽。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明做详细说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。
实施例1
参见图1和图2，本发明提供了一种电磁式振动能量收集器，该电磁式振动能量收集器包括相互堆叠的第一衬底10和第二衬底20，该第一衬底10经刻蚀形成悬臂梁结构，在该悬臂梁结构的外侧设有第一电磁拾振结构，第一衬底10的下表面形成有第一凹槽15、该第一凹槽15上方为悬臂梁结构；第二衬底20的上表面的与第一凹槽15的位置相对应的位置形成有第二凹槽25，该第二凹槽25中设置有永磁体23，第二凹槽25的底部通常呈方形膜结构；第二衬底20的下表面设置有第二电磁拾振结构；第一凹槽15与第二凹槽25相对堆叠且形成腔体。
在本实施方式中，第一衬底10下表面中央区域形成有第一凹槽15，在该第一凹槽15的上方设置有悬臂梁结构，在所述悬臂梁结构外侧的第一电磁拾振结构包括第一电感线圈层12，在该第一电感线圈层12和第一衬底上表面之间还设有第一绝缘层11；该电磁式能量收集器还包括设置在该悬臂梁结构末端的质量块13，该质量块13为金属材料，通过调整质量块13的质量可以调节悬臂梁结构的谐振频率，不限于此，质量块13的位置还可以设置在其它需要的位置，质量块13的数量还可以是两个或者多个。上述仅用于说明，不能理解成对本发明的限制。
在本发明的电磁式振动能量收集器中，第一衬底10的下表面和第二衬底20的上表面贴合在一起，且第一凹槽15和第二凹槽25对齐，通过粘合或者键合的方法来组装第一衬底10和第二衬底20。
第一衬底10和第二衬底20为刚性衬底，如硅、玻璃；第一衬底10和第二衬底20的材料可以相同，也可以不同。另外，第一凹槽15和第二凹槽25的深度为100μm～500μm。
第一绝缘层11和第四绝缘层21为厚度在100nm～1000nm的sio2、si3n4的至少一种。第一绝缘层11的作用在于实现第一电感线圈层12与第一衬底10的电隔离；第四绝缘层21的作用在于实现第二电感线圈层22与第二衬底20的电隔离。
第一电感线圈层12和第二电感线圈层22包括一层ti或cr和一层cu复合构成的复合层，线圈层厚度在1μm～10μm。其中，ti或cr用于增加电感线层与绝缘层的粘附性，cu用于降低电感线的寄生电阻以提高电感的品质因数。
第二绝缘层14和第三绝缘层24为sio2、si3n4的至少一种，厚度在200nm～2μm。第二绝缘层14的作用在于实现第一衬底10与第二衬底20的电隔离；第三绝缘层24的作用在于实现第一衬底10与第二衬底20的电隔离以及第二衬底20与永磁体23的隔离。
第一衬底10的悬臂梁结构和第二衬底20的方形膜结构的谐振频率在101hz～103hz范围，悬臂梁结构的谐振频率和方形膜结构的谐振频率相差一到两个数量级。优选地，方形膜结构的谐振频率比悬臂梁结构的谐振频率低一到两个数量级。这是因为在多数情况下，环境中的振动频率主要为低频，所以在方形膜结构的谐振频率也为低频的情况下，方形膜结构可以发生大幅度的振动，进而引起第一电感线圈层12和第二电感线圈层22均产生大的感应电流；而如果悬臂梁结构的谐振频率比方形膜结构的谐振频率低一到两个数量级，悬臂梁结构可以发生大幅度振动，进而引起悬臂梁结构上的第一电感线圈层12产生大的感应电流，此时，第二电感线圈22产生的感应电流相对较小。
需要说明的是，悬臂梁结构的谐振频率可通过调节悬臂梁结构的长度、厚度等几何尺寸或者调节悬臂梁结构末端的质量块的质量来实现；方形膜结构的谐振频率可通过调节方形膜结构的长度、厚度等几何尺寸或者调节设置在第二凹槽的永磁体的质量来实现。
本发明的能量收集器的工作原理(为了说明方便，假定悬臂梁结构的谐振频率大于方形膜结构的谐振频率，如果两者谐振频率大小相反，工作原理类似)：在低频振动环境中，相比于悬臂梁结构，方形膜结构的谐振频率更接近环境中的振动频率，导致设置在第二衬底方形膜结构上的永磁体与第一电感线圈层和第二电感线圈层产生大的相对运动并引起第一电感线圈层和第二电感线圈层的磁通量发生大的变化，进而导致在电感线圈层与各自外接负载形成的闭合回路中产生感应电流，从而实现动能转换为电能；在高频振动环境中，相比于方形膜结构，悬臂梁结构的谐振频率更接近环境中的振动频率，导致悬臂梁结构发生大幅度的振动，并引起第一电感线圈层磁通量发生大的变化并产生大的感应电流，在高频振动环境中，方形膜结构也会发生振动但振动幅度相对较小，并引起第二电感线圈层磁通量发生变化并产生感应电流。因此，本发明的能量收集器在低频和高频的振动环境中均能高效地收集振动能量。
实施例2
本发明还提供了一种电磁式振动能量收集器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
选择第一衬底，刻蚀该第一衬底的下表面，形成第一凹槽结构；例如选用500μm厚的n型(100)硅作为第一衬底，通过例如低压化学气相沉积方法在该第一衬底的下表面生长200nm厚度的si3n4，刻蚀第一衬底的下表面的si3n4，以si3n4做掩膜使用tmah(四甲基氢氧化铵)试剂对该第一衬底进行湿法刻蚀，形成如450μm深的第一凹槽；使用h3po4溶液去除硅片表面的si3n4，利用湿法热氧化工艺在衬底的上、下表面生长1000nm厚的sio2，其中，在上、下表面光刻形成第二绝缘层、第一绝缘层；
在第一衬底的上表面例如使用物理气相沉积工艺沉积形成100nm厚的ti以及5μm厚的cu并刻蚀形成第一电感线圈层；
对第一衬底的上表面进行选择性各向异性干法刻蚀，释放悬臂梁结构，以形成悬臂梁结构；在该悬臂梁结构的末端或者其它需要的位置安装质量块；
选择第二衬底，刻蚀该第二衬底的上表面，形成第二凹槽结构，在第二凹槽的底部相对应的区域形成例如方形、圆形或其它形状的膜结构。具体地，例如选用400μm厚的n型(100)硅作为第二衬底，通过与第一衬底相同或者相似的工艺，在第二衬底的上表面形成第二凹槽、第三绝缘层及第四绝缘层，与第一衬底制备的不同之处在于，第四绝缘层不需要光刻。
在第二衬底的下表面例如使用物理气相沉积工艺形成100nm厚的ti以及5μm厚的cu，光刻形成第二电感线圈层；在第二衬底的上表面形成的第二凹槽结构内安装永磁体；
将所述第一衬底的第一凹槽结构正对所述第二衬底的第二凹槽结构，通过双面对准以及键合或者粘合的方法进行组装，制成所述电磁式振动能量收集器。
应注意，薄膜的制备包括物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺、溅射工艺或者其它工艺。
与现有技术相比，通过本发明的制备方法所制备的电磁式能量收集器具有两组谐振频率不同的拾振结构，可以实现对环境中的振动进行宽频带、高效率的拾取，因此，本发明的能量收集器具有高的能量收集效率和高的输出功率；采用两组电感线圈进行能量收集，这进一步提高了收集器的能量收集效率和输出功率；在面积与现有的电磁式能量收集器相比并无明显增加的情况下，本发明的能量收集器还具有结构紧凑、输出功率密度高(w/cm2)的优点，易于实现器件的小型化；采用mems技术制备，能量收集器还具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及制造成本低的优点。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。