压电能量收集的弯曲结构及其制造方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年7月5日提交的申请号为62/528,886的美国临时申请以及于2017年7月13日提交的申请号为62/532,195的美国临时申请的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。

本发明涉及利用周围机械振动或运动产生电能的压电悬臂结构。压电悬臂可以与电子电源管理电路一并使用以优化能量收集功能，从而为例如传感器、电子电路或系统的电气系统供电。

背景技术：

在无电池情况下以无限寿命的能源供应源生产电能是电子装置符合当前环境问题的挑战之一。因此，能量收集系统是电池更换的最相关解决方案之一。长期以来，使用压电悬臂双晶片梁/结构收集环境振动能量一直被研究与原型设计。图1表示现有技术，并且是将典型双晶片悬臂梁1刚性地夹紧在锚固件或锚固模块2内的侧视图。悬臂梁1的包含于锚固模块2中的部分可以被定义为悬臂梁1的“夹紧区域”，并且悬臂梁1的位于锚固模块2之外的部分可以被定义为自由长度、或者“弯曲区域”。通常，悬臂梁1通过震动质量块3终止于其自由末端，该震动质量块3被选择以向系统提供所需的共振频率。这种系统的共振频率主要由悬臂梁1的刚度与被附接至悬臂梁1的末端的震动质量块3控制。悬臂梁1的刚度取决于所使用的材料的弹性常数以及悬臂梁1在弯曲区域中的长度与厚度。

通常，这些结构具有多层结构以使装置效率最大化。悬臂双晶片梁的最常见设计通常包括：夹在两个镀有电极的压电层之间的非晶垫片层(芯)，并且可选地，在梁的末端附接震动质量块。悬臂梁刚性地保持在与附接有震动质量块的相反的一端。当受到振动时，悬臂梁会发生振荡，其末端会以一定幅度振动。在此操作期间，内部应变会产生至压电层中，然后可以通过用电子电源管理电路将压电层分流以收集固有产生的电荷。

当强烈要求振动时，悬臂梁的原理使机械应力在其压电层内并沿着悬臂梁产生以产生电荷；然而，应变级别并不规则地分布在梁的长轴上，并且在悬臂梁与锚固模块之间的交界处产生最高应变。因此，压电悬臂梁通常由中心层与外层组成，当结构沿与梁主表面正交的方向弯曲时，中心层与外层会不同地受到机械应力；与梁垫片的对称轴的厚度部分相对应的中心线理论上不会产生机械应力，并且被称为梁的中性轴或纤维，而附接于相对面上且远离中性轴的其它层受与离开中性轴的距离成比例的应力。此外，在悬臂梁嵌入锚固模块的区域不允许弯曲，并且由悬臂梁与锚固模块限定的外部结合界面是可能出现强烈应力的区域。这导致悬臂梁结构中机械约束的指数升高。此区域被观察到的极高应力是对梁的破坏的源头，其微裂纹或材料分层严重影响装置的可靠性或故障前平均时间(mtbf)。

到目前为止，为提高可靠性与鲁棒性，已经公开对压电双晶片悬臂梁的几种优化。benasciutti.d.等人(通过优化形状的压电双晶片的振动能量收集，微系统技术，2010年，第657-668页)与defosseux.m.等人(用于压电振动能量收集的不同的梁的形状的比较，微型发电会议2010年论文集)的出版物中公开了设计的示例，其中研究并测试了宽度可变的悬臂。benasciutti.d.与defosseux.m.提出的解决方案中对梁的形状进行改变，并且在某些受几何形状限制的应用中可能会受损。seddik.b.a等人的另一公开美国专利2013/0342075，其中与厚度恒定的结构相比，中间垫片层的可变厚度导致被夹侧的应力减小并且应力分布更好。不幸的是，制造这样的垫片不是普通的过程，并且需要特定的工具与对垫片厚度变化的精确控制。

考虑以上描述，显然需要克服上述缺点的压电悬臂梁的更好设计。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种压电双晶片悬臂梁的新设计及其相关的制造方法，以便控制锚固界面处的机械约束与应力，从而提高压电双晶片悬臂梁在操作中的坚固性与耐久性。从构成层的厚度均匀且相对于中性轴或纤维对称设置的压电双晶片悬臂梁的通常结构，本发明的压电双晶片悬臂梁配备有设置在该压电双晶片悬臂梁的主表面上方的梁加强部或梁加强件，并且抗拉强度从锚固界面向该梁的另一末端变化。梁加强件的存在通过将机械应力从锚固界面逐渐分布至梁的另一末端，使梁的锚固界面处的应力最小化。应力的减小将降低锚定界面处的疲劳，因此增加在运转中的采集器的寿命。

在一些实施例中，梁加强件设置在梁的每一侧上面，并且通过改变梁的厚度来获得梁加强件的抗拉强度变化。此外，如果厚度的变化被定义为平行于梁长度的坐标的函数并且进行优化设计，则可以根据规格调整梁中的最大应力。在这种情况下，锚固界面处应力的减小不会影响系统(梁+锚固模块)的总功率输出。为使本发明第一实施例的制造与实现方式容易，可以通过使用由相同材料制成并具有可变长度的多层加强件来实现梁加强件的可变厚度。如果适当地设计每层的长度，则如此获得的整个多层结构可近似于具有可变厚度的梁加强件。层的厚度与数量将控制这种近似的精度。在极其简化的情况下，可以仅考虑一层。

在一些其它实施例中，通过使用可变刚度层改变梁加强件的材料成分、或通过在材料中形成孔来构造层、或在梁加强件的层内部设置一种或多种材料的夹杂物来获得加强件的抗拉强度变化。可以根据待获得的刚度应用许多不同的几何形状与组成，并且可以用不同拉伸性能的材料填充孔。

在其它实施例中，双晶片结构特别是外层的层厚度，可以沿平行于梁长度的坐标变化。

附图说明

在下文中，将结合提供用于示出并非限制权利要求书的范围的附图与说明来描述本文中的实施例：

图1是现有技术中通常已知的典型双晶片悬臂梁的剖视图。

图2是具有夹在两个压电层之间的垫片的压电双晶片悬臂梁的剖视图。

图3是在悬臂梁系统中使用的不同方向的图示。

图4是根据本发明所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第一实施例的剖视图。

图5是根据本发明所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第二实施例的剖视图。

图6是根据本发明所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第三实施例的剖视图。

图7是根据本发明所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第四实施例的剖视图。

图8是示出受梁加强件影响的沿悬臂梁的应力变化的图。

图9是根据本发明所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第五实施例的透视图。

图10是根据本发明所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第六实施例的透视图。

图11是根据本发明所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第七实施例的透视图。

具体实施方式

现在参照附图与说明，本发明涉及制造压电双晶片悬臂梁(pbcb)以从周围环境的振动中直接收集电能的系统与方法。虽然本发明不限于双晶片悬臂梁，但是为清楚起见，该特定实施例将用于本申请的描述。本发明中，pbcb主要被专用于数十赫兹范围内的低频振动并针对数十赫兹范围内的低频振动而设计，并且优选地被设计成具有小的尺寸与体积，以被集成于医疗应用的传感器植入物或工业应用的传感器节点。但是，本发明不限于这些特定的设计选择。

该操作的原理基于在压电层上产生的机械应力以在电极上产生电荷，然后通过电源管理电路(pmc)对该电荷进行收集并整流，用于对电池或超级电容器充电或为系统或传感器供电。作为悬臂梁结构，pbcb通常被设计为梁形，其厚度尺寸比该结构的其它尺寸小，并且振动力优选地沿垂直于装置厚度的方向施加，以使结构弯曲，并因此，以优选的晶体学取向对压电材料施加应力。

在图2中提供了pbcb10的详细视图，其中垫片30被夹在第一压电层40a与第二压电层40b之间，该第一压电层40a与第二压电层40b优选地相对于垫片30对称设置。特别地，垫片30具有近端32，近端32延伸至锚固件或锚固模块20中并与之连接，以及与近端32相对的远端34或者自由端34。第一压电层40a层压在垫片30的第一主表面36上，第二压电层层压在垫片30的与第一主表面36相对的第二主表面38上。第一压电层40a与第二压电层40b中的每个均具有沉积在其表面42a、42b上的电极(未示出)。如图3所示，通常使用的三个主要垂直方向机械地表示pbcb10，其中竖直方向z垂直于pbcb10的主表面，并且方向x与y平行于pbcb10的主表面。如图2所示，优选地，压电层40a、40b中的每个具有基本相似的厚度，以在上下移动时提供对称的操作。然而，根据本发明，压电层被设置为如以下进一步讨论的具有不同的厚度或可变的厚度或具有不同的表面积。

根据待收集的振动频率，pbcb10的长度与刚度控制装置的谐振频率，而宽度尺寸将成比例地影响电输出功率。对于低频系统(<100赫兹)，pbcb10的长度通常在几十毫米至一百(100)毫米的范围内。pbcb10的宽度被定义以优化pbcb10的总表面(电功率)，并且可以根据系统的体积限制进行微调，通常宽度小于长度，范围通常从几毫米至几十毫米。为了最大化装置的压电材料比例并将总厚度保持在合理的比例，构成中性轴或纤维的垫片层被确定为尽可能薄。为使制造过程容易，其厚度通常约为十(10)微米。压电层40a、40b通常都具有相同的厚度，以将中性纤维保持在垫片30的厚度以内。基于对工作频率与功率的考虑以定义压电层40a、40b的厚度。对于典型的频率范围(从几赫兹至几百赫兹)，最小厚度通常约为几微米，并且最大厚度高达几百微米。

现在参照图4，在本发明的一个示例性系统中，被安装至锚固模块20中的pbcb10包括被对称地设置在pbcb的两个主表面上的第一梁加强件60a与第二梁加强件60b(例如，压电层40a、40b的外表面42a、42b)。特别地，示例性pbcb10包括具有第一主表面36和与第一主表面36相对的第二主表面38的垫片30。此外，垫片30的近端32被连接至锚固模块20，并且远端34与近端32相对。虽然未示出，但是pbcb10的远端(即，与垫片30的远端34相邻)被配置为附接震动质量块。

示例性pbcb10进一步包括层压在垫片30的第一主表面36上的第一压电层40a与层压在垫片30的第二主表面38上的第二压电层40b。压电层40a、40b中的每个包括位于其外表面42a、42b上的一个或多个电极(未示出)。该电极通常在宽度即图3中的y方向上是均匀的，并且基本上延伸至pbcb10的整个长度。然而，在一些优选实施例中，由于pbcb10的自由端处的弯曲应变太低而不能高效地促进电荷收集，因此电极没有完全延伸至垫片30的远端34。特别地，当震动质量块连接至pbcb10时，在震动质量块与pbcb10之间的界面处不允许弯曲，并因此在该界面处不需要存在电极。根据用于获得电极的沉积工艺，电极的厚度范围从几百纳米至几微米。电极通常还延伸穿过锚固模块20，以将pbcp10连接至系统的其余部分，例如传感器或电子电路。然而，为了最小化锚固模块20下方的电极的寄生电容，电极仅覆盖pbcb10宽度的小部分，通常为pbcb10宽度的四分之一。

此外，两个压电层40a、40b以串联的配置被电连接。为此，垫片30必须导电以将两个压电层40a与40b电连接。因此，垫片30的材料优选为金属，例如铜或铝，而压电层40a、40b通常为pzt或其它无铅材料(例如，pnm-pt、btn)。

如前所述，pbcb10包括设置在第一压电层40a的外表面42a上方的第一梁加强件60a、以及设置在第二压电层40b的外表面40b上方的第二梁加强件60b。如图4所示，梁加强件60a、60b中的每个均具有可变的厚度。特别地，梁加强件60a、60b具有紧邻锚固模块20的分别较厚的部分，其中，在预定距离终止之前，梁加强件60a、60b的厚度从锚固模块20沿pbcb10向垫片30的远端34减小。在图4所示的实施例中，梁加强件60a、60b的厚度变化被定义为其长度与厚度之间的线性函数。也就是说，梁加强件60a、60b的外表面62a、62b基本是平坦的或线性的。在一些实施例中，基于考虑了结构中应力的纵向分量的建模过程获得梁加强件的特定形状。特别地，在具有加强件的最佳补偿结构中的纵向应力分量沿pbcb的整个自由长度恒定。为实现该目的，加强件的形状应与pbcb自由长度中的应力分布形状相对应。

在一些示例性实施例中，梁加强件优选为对称的，并且梁加强件优选地具有与垫片的宽度基本相同的宽度即图3中的y方向。梁加强件的长度没有特别限制，并且可以根据本发明的pbcb的期望响应而改动。也就是说，在一些实施例中，梁加强件在pbcb的基本整个长度上延伸，而在一些其它实施例中，梁加强件沿pbcb的长度中途终止。

在图4所示的示例性系统中，梁加强件60a、60b被整合到锚固模块20中(例如，与锚固模块20同时成形)。为此，用于梁加强件60a、60b的材料可以由与锚固模块20的材料相同的材料制成，并且例如，通过在pbcb10上包覆聚合物或复合树脂而形成。然而，在其它实施例中，梁加强件由具有与锚固模块2的密度和杨氏模量不同的密度和杨氏模量的材料制成。例如，在一些实施例中，梁加强件由金属(例如，铝、铜等)、有机材料、或二者的复合物(例如，fr4、铝等)组成，而锚固模块20由类似的材料或更重的材料，诸如例如钨组成。在梁加强件由导电材料组成的实施例中，可以设想梁加强件本身可以用作电极，因此不再需要在压电层的外表面上对附加电极。

如前所述，在图4所示的实施例中，梁加强件60a、60b的厚度变化被定义为其长度与厚度之间的线性函数。现在参照图5，在另一示例性系统中，梁加强件的厚度变化被定义为非线性函数。换句话说，梁加强件的外表面是弯曲的。特别地，在图5所示的示例性系统中，示例性pbcb110基本类似于上述的pbcb10，包括垫片130，该垫片130具有第一主表面136、与第一主表面136相对的第二主表面138、连接至锚固模块120的近端132以及与近端132相对的远端134。示例性pbcb110基本类似于上述pbcb10，进一步包括层压在垫片130的第一主表面136上的第一压电层140a以及层压在垫片130的第二主表面138上的第二压电层140b。

同样与图4的系统类似，第一梁加强件160a设置在第一压电层140a的外表面142a上方，并且第二梁加强件160b设置在第二压电层140b的外表面140b上方，但与图4的系统不同，如前所述，在图5所示的示例性系统中，梁加强件160a、160b的厚度变化被定义为非线性函数，因此加强件160a、160b的外表面162a、162b是弯曲的。当然，根据本发明，梁加强件的截面轮廓可采用多种形式与形状，从而提供若干程度的设计自由。再次，根据期望的效果，第一梁加强件160a的外表面162a的曲率可以被制造成与第二梁加强件160b的外表面162b的曲率相同或不同。

此外，与图4中所示的系统类似，如图5所示，pbcb110被嵌入至锚固模块120中。然而，梁加强件160a、160b独立于锚固模块120而没有被整合到锚固模块120中。当然，基本类似于以上关于图4描述的配置，诸如图5所示的弯曲的梁加强件可以与锚固模块一体成型。

现在参照图6与图7，在本发明的一些实施例中，pbcb不是被嵌入至锚固模块中，而是pbcb直接附接至锚固模块的侧表面。特别地，并且特别参照图6，示例性pbcb210包括垫片230，该垫片230具有第一主表面236、与第一主表面236相对的第二主表面238、紧邻锚固模块220的侧表面222设置的近端232、以及与近端232相对的远端234。该示例性pbcb210进一步包括层压在垫片230的第一主表面236上的第一压电层240a以及层压在垫片230的第二主表面238上的第二压电层240b，其中压电层240a、240b沿垫片230的基本整个长度从近端232延伸至远端234。

在图6所示的系统中，梁加强件260a、260b以与关于图5描述的梁加强件160a、160b的方式基本相同的方式形成在压电层240a、240b的外表面242a、242b。也就是说，梁加强件260a、260b的外表面262a、262b是弯曲的，并且梁加强件260a、260b从锚固模块220与pbcb210之间的结合处开始，而不是被整合到锚固模块220中。

现在转到图7，在另一个示例性实施例中，梁加强件中的每个包括多个堆叠的层。与图6所示的系统类似，在图7的系统中，示例性pbcb310包括垫片330，该垫片330具有第一主表面336、与第一主表面336相对的第二主表面338、紧邻锚固模块320的侧表面322设置的近端332、以及与近端332相对的远端334。该示例性pbcb310进一步包括层压在垫片330的第一主表面336上的第一压电层340a以及层压在垫片330的第二主表面338上的第二压电层340b，其中压电层340a、340b沿垫片330的基本整个长度从近端332延伸至远端334。

如上所述，梁加强件中的每个由堆叠在各个压电层340a、340b的外表面342a、342b上的多层371a-378a、371b-371b构成，其中层371a-378a、371b-371b中的每层的长度沿远离垫片330的方向而减小。如果371a-378a、371b-371b中的每层的长度被适当地设计，则如此获得的整个多层结构可近似具有可变厚度的梁加强件。层的厚度与数量将控制该近似的精度。这样，堆叠层371-378的总体效果提供了与上述梁加强件60、160、260类似的、具有减小厚度的梁加强件。实际上，不管如图4至图7所示的梁加强件的具体构造如何，可以设想在本发明的一些优选实施例中，梁加强件的厚度在紧邻锚定构件的位置最厚，随后朝着垫片的远端延伸厚度减小。

在使用多层结构的实施例中，可以设想每层的材料可以在组成上变化以影响单个层的整体刚度，从而影响整个梁加强件的响应。

图8中的曲线图示出作为示例的在压电层的自由长度(fl)中的一个表面上的应力的纵向分量的模拟分布。在该图中，比较了梁加强件由n个黄铜层组成的四个示例，其中每个黄铜层的长度依次减小fl/(n+1)并且每个黄铜层的厚度为4μm。在分布0l中是基本上类似于图2所示的结构的没有梁加强件的悬臂梁。相比之下，分布2l对应于包括由两层组成的加强件的悬臂梁，分布4l对应于包括由四层组成的加强件的悬臂梁，分布6l对应于包括由六层组成的加强件的悬臂梁。层的数量对pbcb的影响由品质因子(fom)表示，该fom被定义为输出功率与最大应力的比值。每个分布的fom值说明了附加层的数量增加的有益效果，这大大降低最大应力水平，而最大输出功率仅以较小的比例降低。特别地，对于分布0l，fom为1.4；对于分布2l，fom为1.7；对于分布4l，fom为2.1；对于6l分布，fom为2.14。

现在参照图9，在本发明的又一示例性实施例中，pbcb410在其一端通过锚固模块420被附接。虽然未明确示出，但是可以设想pbcb410可以以上关于图4至图5示所示与所述的方式(即，pbcb410被嵌入至锚固模块420中)或根据以上关于图6至图7所示与所述的方式(即，pbcb410被直接附接至锚固模块420的侧表面422)被附接至锚固模块420。虽然可以设想第二加强件也可以被附接至pbcb410的另一侧，但是pbcb410进一步包括被附接至pbcb410的一侧上的加强件460。加强件460具有圆形孔491-495，因此加强件460的其余材料具有沿pbcb410的长度，即图3中的x方向的抗拉强度的纵向变化。也就是说，紧邻锚固模块420的第一行孔491被定义为具有第一直径，而第二行孔492被定义为具有大于第一直径的第二直径。同样，第三行孔493、第四行孔494、以及第五行孔495分别具有逐渐增大的直径。

对于较小的孔，例如第一行孔491，孔尺寸与加强件460厚度之间的长宽比通常为10：1(例如，加强件厚度为十(10)微米时，孔直径为一百(100)微米)。另一方面，对于较大的孔，例如第五行孔495，分隔两个相邻孔的壁相对于加强件厚度的长宽比通常也为10：1。

关于位置，一行的孔的中心可以相对于梁的x方向与相邻的孔的行对齐或交错，以使孔的中心位于距相邻行最近的孔所形成的段的垂直平分线上。无论相邻行之间的孔布置如何，优选地，来自同一行的孔相对于由如图3所定义的x轴与z轴形成的pbcb410的介质平面对称。

现在参照图10，还可以设想形状可选的孔。特别地，如图10所示，pbcb510在其一端通过锚固模块520被附接。虽然未明确示出，但是可以设想pbcb510可以以关于图4至图5以上所示并描述的方式(即，pbcb510被嵌入至锚固模块520中)或以关于图6至图7以上所示并描述的方式(即，pbcb510被直接附接至锚固模块520的侧表面522)被附接至锚固模块520。虽然可以设想第二加强件也可以被附接至pbcb510的另一侧，但是pbcb510进一步包括被附接至pbcb510的一侧上的加强件560。加强件560具有三角形孔591-598，因此加强件560的其余材料的抗拉强度具有沿pbcb510的长度，即图3中的x方向的纵向变化。特别地，如图10所示，交替排的孔是相对的。也就是说，第一行三角形孔591、第三行三角形孔593、第五行三角形孔595、以及第七行三角形孔597分别面对相同的方向，而第二行三角形孔592、第四行三角形孔594、第六行三角形孔596、以及第八行三角形孔598面对相反的方向。此外，每行孔591-598具有逐渐增大的尺寸。当然，孔的具体数量、位置、以及形状不受限制。

现在参照图11，加强件不是包括多行孔，而是可以包括沿着加强件的长度宽度逐渐变窄的多个主体，使主体之间的最终间隙在加强件的长度上变宽。特别地，如图11所示，pbcb610在其一端通过锚固模块620被附接。虽然未明确示出，但是可以设想pbcb610可以以关于图4至图5以上所示并描述的方式(即，pbcb610被嵌入至锚固模块620中)或关于图6至图7以上所示并描述的方式(即，pbcb610被直接附接至锚固模块620的侧表面622)被附接至锚固模块620。虽然可以设想第二加强件也可以被附接至pbcb610的另一侧，但是pbcb610进一步包括被附接至pbcb610的一侧上的加强件660。加强件660包括四个主体691-694，该四个主体691-694的宽度沿加强件660的长度(即，从锚固模块620向pbcb610的远端)逐渐变窄，使得在主体之间形成的孔在整个加强件660的长度内变宽。在图11所示的实施例中，加强件的主体691-694沿与pbcb610邻近的锚固模块620的整个宽度延伸，并且主体691-694中的每个随着主体691-694远离锚固模块620延伸基本呈三角形逐渐变窄。当然，主体的具体数量、位置、以及形状不受限制。

在梁加强件的表面积不均匀的实施例中，例如在图9至图11中所示的示例性实施例中，可以设想可以用不同于其余加强件材料的材料填充孔，以影响梁加强件的整体刚度。此外，应当理解的是，非均匀层可以形成堆叠，从而甚至可以进一步定制整个梁加强件的响应。

可以通过若干种制造工艺获得本发明的压电双晶片悬臂梁。作为示例但不限于，加强件可以通过类似丝网印刷、喷墨印刷、浸涂、旋涂、喷涂、溅射、气溶胶沉积法、电泳法、无电法、或电化学方法的不同的沉积方法被添加至双晶片结构中。根据这些方法，通过使用掩模以隐藏需要更薄的前层的区域，然后使用后续的沉积步骤形成加强件。

根据另一种方法，通过树脂(例如，环氧树脂、聚氨酯、硅等)包覆成型形成加强件。有利地，包覆成型过程可以使加强件具有光滑的形状。

根据又一方法，通过首先形成均匀的层，然后通过选择性刻蚀的激光烧蚀工艺从加强件中去除材料以形成孔或类似物的布局，以此形成加强件。

本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本发明的教导的情况下，其它实施例是可能的。在此给出详细的描述，尤其其中公开的示例性实施例的具体细节，主要是为了理解清楚，并且对于本领域的技术人员，在阅读本公开将使改变显而易见并且可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下制造，因此不应由此理解为不必要的限制。

参考文献：

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