一种双向振动的压电能量收集装置的制作方法

本发明涉及能量收集技术，属于机械工程领域，更具体地，属于能量收集设备领域。

背景技术：

近年来，随着集成电路、微机电系统(mems)及无线传感网络的不断发展，为了解决无线传感器件在使用过程中供电不持久、电池替换困难及存在浪费、污染等问题，能量收集技术应运而生，其本质是将电子器件所处周围环境中吸收的微小能量收集并转化为电能供给后续使用的过程。在规模上，目前大型装置如太阳能电池板、风能发电机已获得广泛应用，但就小型化、微型化能量收集方面还缺乏行之有效的产品和设备。

目前环境中的多种能量已被收集利用，基与光伏效应、电磁效应、压电效应、热电效应等原理将太阳能、风能、电磁能、振动能、热电、射频信号等能量转化为电能。其中，振动能以其方便获取、高功率密度、清洁安全等优势获得了研究者的广泛关注。基于振动能量的三种不同模式，压电振动以其结构简单、寿命长、效率高、易与mems加工工艺兼容等特点优于静电和电磁振动模式，这在mems尺度的器件实现微加工制造和体积缩放等方面尤其可取。

振动能量广泛存在于日常生活中，房屋、桥梁、道路的固有振动；机器、汽车的运行振动；人体中肢体、血液、心脏等的生命活动都可以为微型压电振动能量收集装置提供输入条件。能量收集在无线网络、嵌入式及微型低功耗系统中具有非常广泛的应用。目前，压电振动能量收集装置多采用基础的悬臂梁式，主要由弹性层、压电层组成。为了获得更多的能量输出，可采用增大压电层面积、增加压电陶瓷片数、降低固有频率、增加低频段共振数、拓展振动于固有频率下的带宽等方式。传统的能量收集装置大多只针对单方向振动，并且只在低频段产生一次共振，能量采集效率不高，难以满足一些场合下的使用要求。因此，设计一种结构紧凑、高效、高输出的压电振动能量收集装置尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决传统的能量收集装置结构繁琐、能量采集效率低、输出低的问题，现提供一种双向振动的压电能量收集装置。

本发明所述的一种双向振动的压电能量收集装置包括硅衬底、材料层和质量块；

所述硅衬底的一端为自由端，另一端为固定端，两个质量块对称施加在自由端两侧；硅衬底上开有水平方向和竖直方向的两个长方形通孔，其中，水平方向的长方形通孔的上、下表面构成水平悬臂梁，竖直方向的长方形通孔的前、后表面构成竖直悬臂梁；

所述材料层附着在水平悬臂梁与竖直悬臂梁的外表面，材料层由内向外依次为氧化物层、粘附层、底电极层、种晶层、压电层和顶电极层；

每个长方形通孔每个侧面上的压电层按照振动条件下受应力状态的不同分为两部分；

每个悬臂梁振动条件下同一时刻受力状态相同的电极层相互串联，形成两个串联电路，所述两个串联电路并联后接入外部能量收集电路。

本发明述的一种双向振动的压电能量收集装置主要由硅(si)衬底、材料层和质量块组成。

硅衬底分为自由端和固定端，自由端与固定端之间开两个长方形通孔。靠近自由端的一组压电片(即材料层中的压电层)共振于一阶模态，靠近固定端的另一组压电片共振于第二阶模态。固定端为实验夹持部分，四角开螺纹孔以方便定位和固定。

材料层由多层不同功能的材料组成。从硅衬底向外依次包括氧化物层、粘附层、底电极层、种晶层、压电层和顶电极层。

对称的质量块施加于衬底自由端，利用粘胶或螺栓连接将质量块与硅衬底固定在一起，不同质量的质量块将显著影响装置的固有频率，以适应实际环境中不同的共振条件。

根据水平悬臂梁和竖直悬臂梁在振动条件下受到的应力状态不同，将悬臂梁的每个面分为两部分贴压电片。即：水平悬臂梁上、下表面各贴有两片压电片，竖直悬臂梁前、后表面各贴有两片压电片，整个装置共包含八个压电片，振动条件下，压电片的受力状态为拉伸或压缩，将同一时刻下受力状态相同的压电片所对应的电极层相互串联，形成两个串联电路，然后将两个串联电路并联后接入外部能量收集电路中，竖直悬臂梁也采用同样的联接方式，即可得到翻倍的电荷输出，从而进行能量的收集。

与现有技术相比，本发明所述的一种双向振动的压电能量收集装置能够取得下列有益效果：

1、将水平悬臂梁和竖直悬臂梁集成到一个装置中，结构紧凑，并且能够同时收集两个振动方向的振动能量，大大提高了装置的输出效率及输出；

2、可以根据需求改变自由端质量块尺寸和质量，以改变振动引起的悬臂梁形变幅度，从而影响该能量收集装置的固有频率和工作频带，以适应不同条件下的外界环境振动频率；

3、可以根据需求改变衬底的尺寸，从而改变压电层的大小，以获得不同等级的电荷输出，为装置的宏观使用和微观研究拓展应用领域和范围；

4、不仅可以应用在多向振动源环境下，在单向或变化的振动源环境中，也可以利用不同的夹持方式和两组梁不间歇的工作方式来获得最大电荷输出。

附图说明

图1是本发明所述的一种双向振动的压电能量收集装置的结构示意图；

图2是本发明材料层的结构示意图；

图3是本发明竖直悬臂梁的振动模态图；

图4是本发明水平悬臂梁的振动模态图；

图5是本发明所采用的外部能量收集电路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

具体实施方式一：参照图1至图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种双向振动的压电能量收集装置，包括夹持部1、硅衬底3、材料层4和质量块5。

如图1所示，夹持部1是固定该装置、连接激振器的结构，通过四角开螺栓孔起到固定和定位作用。固定端2是指夹持部分与硅衬底连接处，实际上装置是以固定端2为参照来感知振动、产生形变。硅衬底3两端均预留有不处理部分作为固定端2前的夹持部分与质量块5的固定位置。两个质量块m1和m2对称地布置在硅衬底3自由端的上下两侧，质量块采用密度较大金属镍(ni)，通过控制质量块5的质量来调节装置的固有频率。硅衬底3是含有两个长方形通孔的硅基座，两个通孔构成了悬臂梁式结构，两个通孔相互垂直，构成上下层的水平悬臂梁bh和左右层的竖直悬臂梁bv。材料层4附着在悬臂梁外侧，如图2所示，由多层材料通过不同工艺沉积而成。

由于一个装置内存在多片压电片，涉及到电荷收集时导线连接的问题。以图1为例，水平悬臂梁上表面贴有两片压电片bh1和bh2，水平悬臂梁下表面贴有两片压电片bh3和bh4，竖直悬臂梁前表面贴有两片压电片bv1和bv2，竖直悬臂梁后表面贴有两片压电片bv3和bv4。如图3和图4所示，装置在振动条件下发生形变时，压电片将产生两种受力状态：拉伸状态和压缩状态，图中双向箭头表示将其两端的电极层串联在一起。图3中，压电片bv1和bv4呈拉伸状态，压电片bv2和bv3呈压缩状态。图4中，压电片bh1和bh4呈压缩状态，压电片bh2和bh3呈拉伸状态。两种状态所产生的电荷正负性正好相反，所以在收集时要将每个悬臂梁中同一时刻处于同种状态的压电片串联，再将两个串联电路并联，得到并联电路，最后将两个悬臂梁的两个并联电路分别接入能量收集电路中，以获得翻倍的电能输出。

收集到的电荷采用buck-boost能量收集电路进行电能的收集和储存，目前已有成熟的buck-boost芯片作为收集装置。相比于标准能量储存电路，buck-boost电路具有较宽的应用范围，无论输入电压大于或小于需要的输出电压都能有效的工作；存在恒定的平均阻抗，能够提供固定的方波信号；显著提高能量储存效率，输出电压稳定，为不同电压的存储介质混合储能提供了条件。能量储存电路的工作方式为：电荷由压电装置产生，经过桥式整流单元将交流电能转换为直流电能；再经过滤波单元滤去整流输出电压中的波纹；经过buck-boost单元中的直流变换，将幅值固定的直流电压变换成幅值和极性可变的直流电压；最后进行能量储存或直接供给负载输出，如图5所示。

装置中包含两组压电悬臂梁，在不考虑整流器及其他电学元件电能损耗的前提下，该装置产生的电能应为单向单悬臂式能量收集装置的二倍，这种情况比单组压电陶瓷所产生的电量大大增加，且具有感知多方向振动的能力，使应用范围和发电能力较单向单悬臂式能量收集装置明显提升，具有突出的发明意义和广阔的应用前景。

具体实施方式二：本实施方式提供了实施方式一所述的压电能量收集装置中材料层的一种制作方法，具体步骤为：

首先将si衬底进行双面抛光以保证后续加工便利；

靠近si衬底内侧的一层为硅的氧化物二氧化硅(sio2)层，其中一面作为能量收集装置的主体会堆叠多层功能性材料，首先在硅基底上进行12小时热氧化生长出sio2，其作用是作为防护层防止由压电层产生的电荷逸散到衬底而逃逸；另一面由于加工不便只生长一层sio2，其作用是隔绝空气、保护硅衬底的平整度和均匀度；

利用溅射沉积方法制备的粘附层覆盖在sio2层，由金属钛(ti)及其氧化物二氧化钛(tio2)构成，作为氧化层与底电极层之间的粘结剂；

底电极是收集输出信号的重要组成部分，由具有优秀导电性能的金属铂(pt)制成，与导线相连作为输出的一极与后续能量收集电路配合使用，与粘结层工艺相似，利用溅射沉积法将pt沉积作为导电一极；

在底电极上设置一层种晶层，通过物理气相沉积方法将tio2和钛酸铅(pbtio3)材料溅射在底电极上，其作用是促进后续薄膜生长进程、明确材料生长方向；

最重要地，由锆钛酸铅压电陶瓷(pzt)构成的压电层通过溶胶-凝胶法沉积在种晶层上，作为能量收集装置的核心部分，感受装置振动、材料发生形变并产生电荷积累是压电层的特定作用；

将与底电极层相对应的顶电极层利用相同的溅射沉积方法附着于压电层上，材料选用金属金(au)和镉(cr)或金属pt、cr和铝(al)与底电极作为电路的输入与输出进行能量收集；

另外，对于有图形化需求的材料层，不仅可以减少材料的消耗、优化材料的分配和使用，还可以降低装置重量、为后续仿真和实验测试提供简化条件。不同材料层的简化方法各不相同，其中：

顶电极层可用au/cr剥离法或等离子体(ar2气)干法刻蚀进行图形化；压电层用氯化氢(hcl)和氢氟酸(hf)的水溶液作为刻蚀液进行压电层的图形化；底电极层和氧化层用反应离子刻蚀法(rie)、si衬底用氢氧化钾刻蚀溶液进行图形化应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。