专利名称：基于液体介质的振动式静电微型发电机及其阵列的制作方法
技术领域：
本发明属于微能源技术领域，特别涉及一种微型发电机。
背景技术：
微能源是便携式装置，特别是无线传感器网络、生物植入装置(如各类植入式测量系统、 植入式药疗装置等)或埋入式监测装置(如建筑物埋入式监测传感器)等系统中最重要的关 键元件之一。目前使用的化学能或燃料电池等由于容量有限，成为了影响系统寿命的决定性 因素。尽管目前科研人员在提高电池的能量密度和降低微器件的能耗方面取得了重要进展， 对延长系统的使用寿命具有重要的意义，但都不能从根本上解决能源的容量有限对系统使用 寿命的限制问题。 一个较理想的解决方案应该是从环境中直接获取能量为上述系统供能。机械振动能是广泛存在于自然和人类生产生活环境中的一种能量形式，因而将人体、机 械、建筑物等产生机械振动能转换为电能，为如前所述便携式系统或植入装置等提供能量具 有重要的科学意义。振动式微型发电机是一种通过机械拾振，利用电磁、压电或静电原理将环境中的振动机 械能转换为电能的微能源。其中，基于静电转换原理的振动式微型发电机，主要由极化源与一个可变电容器组成， 如图1所示。其中，Cv是MEMS可变电容器；Cp是MEMS可变电容器寄生电容；Cs是 储能电容器；极化源Vin是驻极体或电池，其作用是通过其产生电场对可变电容器进行极化， 使可变电容器带有初始电荷；当Cv为最大时，SW1闭合，完成对可变电容器的充电，充电 后SW1断开；当在振动条件下，可变电容器Cv的大小改变，当电容器Cv达到最小值时电 容器中增加的能量为- ^^〗(C^-C曲)(^i^)增加的能量来自于机械振动产生的机械能。当电容器Cv达到最小值时，SW2闭合，电 容器Cv上增加的能量转移到Cs中储存起来。2001年J. O. Mur-Miranda等人设计了一种由外接电源和可变电容器组成的静电式微型 振动发电机，在共振频率下能产生2(^iW的电量，转换效率为50% 。由于采用电池对可变电容器极化的方法，与IC加工兼容性差，在使用方面也有很大的 局限性。2003年，重庆大学提出一种由驻极体和两组可变电容器组成的静电振动式微型发电 机(专利号ZL20031011187.4)，其原理图和结构图如图2、图3所示，图中箭头表示振动 方向。驻极体的作用是利用其恒定的外部电场对可变电容器进行极化，从而可变电容器使带 有定量电荷。当在外部振动下，可变电容器极板的运动使两组可变电容器大小成相反变化， 引起在可变电容器极板之间的重新分布，通过外电路形成电流，从而实现将机械振动能转换 为电能。同年，比利时IMEC公司也报道了类似结构的静电振动式微型发电机，如图4所示， 图中箭头表示振动方向。前述静电振动式微型发电机采用的可变电容器是通过改变动静两极板之间的距离或重 叠面积来实现，动极板由一组悬挂梁支撑。受现有MEMS工艺限制，这种可变电容器的固 有频率很难做到100Hz以下，对低频振动响应低，导致微型发电机对低频振动机械能的转换 效率很低，不能满足低频振动环境中的微功耗设备的要求。同时在冲击、跌落等情况下，悬 挂梁易损坏，导致发电机失效，因而其可靠性不高。发明内容本发明的目的是提供一种将低频振动能转换为电能的高集成度静电振动式微型发电机 及其阵列。该静电振动式微型发电机釆用液体为可变电容器介质，在振动环境中，液体介质 移动，引起电容变化，使电荷在电容器极板之间的转移，从而实现机械能向电能的转换。本发明通过以下技术方案加以实现基于液体介质的振动式静电微型发电机，主要由两个可变电容器和处理电路组成。所述 可变电容器由上极板、下极板、驻极体、衬底和微液体介质构成。其中衬底有上中下三部分， 中衬底中间是通过腐蚀工艺形成上下相通的空腔，上下分别采用硅-硅键合和硅-玻璃键合工 艺覆盖上衬底和下衬底，形成电容器腔体。驻极体加工在电容器腔体的内下表面，即下衬底 的上表面。两个电容器的上极板采用金属剥离工艺或腐蚀工艺并列力卩工在电容器腔体的内上
表面，即上衬底的下表面。微液体介质装在电容器腔体内，在电容器腔体内运动。电容器腔 体的内表面根据液体介质性质溅射形成有疏水或疏油介质薄膜，进行疏水或疏油处理，以增 加微液体与腔体内表面材料的接触角，提高微型发电机对微加速度的响应度，同时有利于驻 极体的稳定性的提高。两个电容器的上极板连为一体，采用金属剥离工艺或腐蚀工艺加工在 上衬底的上表面，作为公共上极板，也作为驻极体的背电极。两个下极板和公共上极板分别 设有引出电极连接到处理电路。驻极体采用薄膜驻极体(如Si02薄膜驻极体等)，驻极体背电极通过背面引出。基于液体介质的振动式静电微型发电机的工作原理是，电容器上极板在驻极体电场的极化下，分别带有一定量的感应电荷；当微液体介质在振动情况下，从一个电容器移动到另外 一个电容器时，将引起两个电容器电容大小的反向变化，从而引起电荷在两个上极板上的重 新分布，电荷通过外电路在两个电容之间转移，形成电流。外电路上所消耗的能量由外部的 振动的机械能提供。从而实现了将外部的振动能转换为电能。本发明进一步还提出由上述低频振动式微型发电机形成的发电机阵列，它是将前述单个 微型发电机按阵列分布，各阵列单元的可变电容器腔体内注入不同体积的微液体介质，通过 微机械工艺制作，各阵列单元间采用隔离介质进行电学隔离。阵列单元的输出采用并联形式， 同时为储能器充电或负载供电。本发明的优点1、 微液体对低频(几赫兹以下)、大幅度的振动响应良好，而其他振动式微型发电机由 于加工工艺限制目前无法达到如此低的响应频率。因而这种液体介质的微型发电机是将人 体、建筑、大型机械等产生的低频振动机械能转换为电能的较理想的微型发电机，非常适合 为低频振动条件下的微功耗植入式装置或便携式设备供能。2、 采用液体介质的可变电容器，没有可动机械结构，受到强烈冲击时，微发电机不会 因为可动部件损坏而导致失效，因而相对其它结构形式的微型发电机具有更高的可靠性和稳 定性。3、 电容器腔体内部进行疏水或疏油处理，以增加微液体与腔体内表面材料的接触角，
提高微型发电机对微加速度的响应能力，同时还有利于驻极体的稳定性的提高。4、本发明提出的微型发电机的频率响应范围可以由微液体介质注入量精确控制，通过 在可变电容器腔体阵列内注入不同体积的微液体介质，即组成由多个不同频率响应范围的微 型发电机并联的阵列，从而达到扩展频响范围和提高输出功率的目的。因此，本发明是一种高集成度、长寿命、体积小的微型发电机，可以为振动环境中各种 微功耗传感器和执行器，特别适合为某些微振动环境中的植入式装置、分布式系统等供电， 具有极为广泛的用途。
图1是基于静电转换原理的振动式微型发电机的工作原理2是重庆大学设计的微型发电机工作原理3是重庆大学设计的微型发电机结构4是比利时IMEC公司设计的微型发电机结构5是本发明设计的振动式微型发电机的电路原理6是本发明设计的振动式微型发电机结构7是振动式微型发电机的立体8是下衬底上的下极板布局9本发明设计的振动式微型发电机阵列的布局10发电机阵列的电路原理中1为驻极体、2为下极板、3为微液体介质、4为下极板、5为下衬底、6为疏水 或疏油介质薄膜层、7为中衬底、8为第一可变电容器、9为公共上极板、10为第二可变电 容器、ll为隔离介质、12为上衬底、13为处理电路、14为阵列单元间的隔离介质，15为一 个阵列单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案中进一步说明 结合图6、图7和图8可见，基于液体介质的振动式静电微型发电机主要包括驻极体l， 下极板2、微液体介质3和公共上极板9构成的第一可变电容器10，下极板4、微液体介质 3和公共上极板9构成的第二可变电容器和处理电路13,两个可变电容器都以衬底为基体。衬底分为上中下三部分，中衬底7中间是通过腐蚀工艺形成的上下相通的空腔，上下分 别通过硅-硅键合和硅-玻璃键合工艺覆盖上衬底12和下衬底5，形成电容器腔体，腔体内表 面溅射疏水或疏油介质薄膜6，微液体介质3与疏水或疏油介质薄膜6互不浸润，二者之间 呈较大的接触角，液滴在腔体内呈椭球形。两个下极板2、 4和公共上极板9是采用金属剥离工艺或腐蚀工艺分别加工在下衬底5 上表面和上衬底12的上表面，并引出电极到处理电路13。驻极体l加工在电容器腔体的内上表面，即上衬底12的下表面，中衬底7、上衬底12 和驻极体l可以采用SOI (绝缘层上的硅)材料实现三者的一体化。通过深刻蚀技术，去除 中衬底7上驻极体1对应的硅材料，暴露出驻极体l材料(二氧化硅)，然后对二氧化硅进 行充电，形成驻极体l。驻极体l的背电极连接到处理电路中储能器Cs的负端。隔离介质11将公共电极9与上衬底12其他部分隔离开，以减小上衬底12引入的寄生电 容。隔离介质11可以采用深刻蚀技术将对应位置的上衬底12材料去除，然后采用绝缘材料 (如多晶硅)回填或热氧化生成二氧化硅而获得。处理电路参见图5,它由整流滤波电路和一个储能器组成，电容器下极板之间的电荷转 移产生电流，进入处理电路13，经整流后，储存在储能器Cs中，并通过输出端为外部负载 供电。前述的单个基于液体介质的振动式静电微型发电机按阵列分布可构成微型振动式发电 机阵列，其局部形式如图9所示，各阵列单元15间采用隔离介质14进行电学隔离，隔离介 质14采用单元中隔离介质11相同的材料和加工方法。其电路参见图IO，阵列单元的输出采用并联形式，同时为储能器充电或负载供电，
权利要求
1、基于液体介质的振动式静电微型发电机，包括有两个可变电容器和处理电路；其特征在于所述可变电容器由上极板、下极板、驻极体、衬底和微液体介质构成；其中衬底有上中下三部分，中衬底(7)中间是上下相通的空腔，上下分别键合覆盖有上衬底(12)和下衬底(5)，形成电容器腔体；驻极体(1)加工在电容器腔体的内下表面，即上衬底(12)的下表面，两个可变电容器的下极板(2、4)采用金属剥离工艺或腐蚀工艺并列加工在电容器腔体的内上表面，即下衬底(5)的上表面，电容器腔体的内表面溅射形成有疏水或疏油介质薄膜层(6)，微液体介质装在电容器腔体内，在电容器腔体内运动；两个可变电容器的上极板连为一体，采用金属剥离工艺或腐蚀工艺加工在上衬底(12)的上表面，形成公共上极板(9)，同时作为驻极体(1)的背电极；两个下极板(2、4)和公共上极板(9)分别设有引出电极连接到处理电路(13)。
2、 根据权利要求1所述的基于液体介质的振动式静电微型发电机，其特征在于所述 处理电路(13)由整流滤波电路和一个储能器组成，两个下极板(2、 4)引出的电极连接到 整流滤波电路，驻极体(1)的背电极即公共上极板(9)的引出电极连接到储能器Cs的负 端，整流滤波电路连接储能器Cs,电能储存在储能器Cs中，并通过输出端为外部负载供电。
3、 根据权利要求1所述的基于液体介质的振动式静电微型发电机，其特征在于驻极 体(1)采用薄膜驻极体。
4、 根据权利要求1所述的基于液体介质的振动式静电微型发电机，其特征在于公共 上极板(9)与上衬底(12)其他部分通过隔离介质(11)隔离开。
5、 由权利要求1、 2、 3或4所述的基于液体介质的振动式静电微型发电机形成的微型 发电机阵列，其特征在于前述单个微型发电机按阵列分布，各阵列单元(15)的可变电容 器腔体内注入不同体积的微液体介质，各阵列单元(15)间采用隔离介质(14)进行电学隔 离；阵列单元(15)的输出采用并联形式，同时为储能器充电或负载供电。
全文摘要
本发明提出一种基于液体介质的振动式静电微型发电机，由两个可变电容器和处理电路组成。可变电容器由上极板、下极板、驻极体、衬底和微液体介质构成。其中中衬底、上衬底和下衬底，形成电容器腔体，驻极体加工在电容器腔体的内下表面，两个电容器的上极板并列加工在电容器腔体的内上表面。微液体介质装在电容器腔体内。电容器腔体的内表面根据液体介质性质溅射形成有疏水或疏油介质薄膜。两个电容器的上极板连为一体，作为公共上极板，也作为驻极体的背电极。两个下极板和公共上极板分别设有引出电极连接到处理电路。本发电机采用液体为可变电容器介质，在振动环境中，液体介质移动，引起电容变化，使电荷在电容器极板之间的转移，从而实现机械能向电能的转换。
文档编号H02K15/00GK101106301SQ20071007861
公开日2008年1月16日 申请日期2007年6月13日 优先权日2007年6月13日
发明者温中泉, 温志渝 申请人:重庆大学