一种宽频压电式mems振动能量采集器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能量采集装置，尤其涉及一种宽频压电式MEMS振动能量采集器。
【背景技术】
[0002]随着无线传感网络的逐步发展，其应用已从军事防御普及到环境监测、交通管理等社会各个领域。传感器网络节点是构建无线传感网络的基础，而无线传感网络节点具有数量多、低功耗、分布复杂等特点，传统有线供电及电池供电等方式不能满足无线传感网络节点的长期稳定供电需求。因此，新型供电方法为解决无线传感网络节点长期稳定的供电问题提供了新的思路。
[0003]能量采集技术可以将环境中的振动能、光能、辐射能、热能等转化为电能，将其储存在电容或电池等储能元件中，实现为无线传感网络节点供电。振动能作为环境中普遍存在的一种能量，振动能量采集技术主要包括压电式、电磁式、静电式和磁致伸缩式。电磁式能量采集器输出能量较小，且受到芯片尺寸限制；静电式能量采集器由于需要外加电源，应用有限；磁致伸缩式能量采集器件的理论模型和参数优化尚未形成完整体系，目前仍处于尝试探索阶段。相对于其他方式，基于压电效应的振动能量采集装置具有结构相对简单、高能量密度、无电磁干扰、且不需要额外电源供电等优点，成为了振动能量采集领域的研究重点。
[0004]而当前基于压电式的MEMS振动能量采集器还存在工作频带窄、输出功率低、谐振频率高等缺点，难以满足实际应用需求。基于此，本发明提出了一种宽频响应的压电式MEMS振动能量采集器，以解决现有MEMS能量采集器件谐振频率高、输出功率低、工作频率范围窄等问题。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决现有MEMS振动能量采集器谐振频率高、输出能量低、工作频率范围窄的问题，提出了一种宽频压电式MEMS振动能量采集器，以悬臂梁-质量块基础结构为基本芯片单元的多芯片阵列化集成器件。
[0006]本发明的宽频压电式MEMS振动能量采集器，包括外围基底以及若干集成在所述外围基底上串联输出、谐振频率接近的基础芯片，所述基础芯片包括框架、一端分别与所述框架内表面连接的若干悬臂梁、以及由各所述悬臂梁另一端支撑的质量块，各所述悬臂梁均包括两相串联的压电振子。
[0007]进一步的，所述悬臂梁包括压电层、覆盖在所述压电层上表面且断开的上电极层、以及覆盖在所述压电层下表面的下电极层以构成两相串联的所述压电振子。
[0008]进一步的，所述框架内表面至少连接有四个均匀分布的所述悬臂梁。
[0009]进一步的，所述外围基底上设有若干外接引线键合焊盘，所述上电极层与所述下电极层与所述外接引线键合焊盘之间均连接有引线。
[0010]进一步的，所述压电层为PZT压电薄膜。
[0011]进一步的，所述外围基底上集成有四个阵列分布的所述基础芯片。
[0012]借由上述方案，本发明至少具有以下优点:
[0013]1、基于PZT压电薄膜压电效应的悬臂梁-质量块结构的基础芯片，有效增大器件的输出能量，具有易与环境产生共振的特点；
[0014]2、采用谐振频率相近的多基础芯片阵列组合可在较宽的频带范围内响应且均有较大能量输出，具有工作频带宽、输出能量高的特点。
[0015]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的结构俯视图；
[0017]图2为本发明的基础芯片立体结构示意图；
[0018]图3为本发明的基础芯片平面结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0020]参见图1至图3，一种宽频压电式MEMS振动能量采集器为多基础芯片20阵列化集成器件，包括四组固定在外围基底10上基础芯片20。外围基底10上固定有外接引线键合焊盘11 ;基础芯片20包括框架21、一端分别与框架21内表面连接的若干悬臂梁22、以及由各悬臂梁22另一端支撑的质量块23，各悬臂梁22均包括压电层30、覆盖在压电层30上表面且断开的上电极层40、以及覆盖在压电层30下表面的下电极层50以构成两相串联的压电振子。各基础芯片20的压电层30的极化表面与外接引线键合焊盘11之间均连接有引线，以使得各基础芯片20串联输出。
[0021 ] 具体实施时，各基础芯片20分别选取结构尺寸参数不同的悬臂梁22与质量块23，以使得各基础芯片20的谐振频率相接近，各基础芯片20的悬臂梁22的数目均为四个，四个悬臂梁22的外端面分别均匀地固定在矩形框架21的内表面，质量块23同时固定于四个悬臂梁22的内端面，将悬臂梁22上的压电层的上表面左右两端覆盖上电极层40，即将上电极层40在中间位置处断开，这样，压电层30共用下电极层50，上电极层40断开的方式可使得悬臂梁22上的压电转换率达到最大。
[0022]优选的，本发明中的压电层采用PZT压电薄膜，具有高灵敏度和低电噪声的特点，具有很高的相应速度和较大的输出应力。
[0023]具体工作过程如下:各悬臂梁22与质量块23组成的基础芯片20分别因环境中的机械振动带动而振动，质量块23带动悬臂梁22产生弯曲形变，使得悬臂梁22上的PZT压电薄膜内部产生极化现象，并在其表面出现异号极化电荷，由此将振动信号转换成电信号。在此过程中，悬臂梁22内外两端受到的作用力相反，分别为拉应力和压应力，因此PZT压电薄膜内外两端极化表面产生的电荷也相反，通过采用下电极共用，上电极断开的方式实现内外两端PZT压电薄膜的串联，增加输出电能。进一步地，各基础芯片20串联固定在外围基底10上，外围基底10上固定有外接引线键合焊盘11，PZT压电薄膜上下表面的电极与外接引线焊盘11之间均连接有引线，工作时，通过引线和外接引线键合焊盘11将电信号输出。
[0024]本发明为多芯片阵列器件，各基础芯片20选取为谐振频率接近的悬臂梁22-质量块23结构，当其中某一基础芯片20与环境达到共振时，输出能量最大，其他基础芯片20也以接近于最大化能量输出；同样，当在另一振动环境中另一基础芯片20可达到共振时，输出能量最大，其他基础芯片20同样以接近最大化能量输出；最后通过外围基底10将各基础芯片20输出的能量串联，达到输出能量最大化。这样可以有效利用各基础芯片20的输出能量，增加了器件的输出；各谐振频率接近的多基础芯片20的组合也拓宽了器件的频率响应范围，适用于更多应用环境。
[0025]以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种宽频压电式MEMS振动能量采集器，其特征在于:包括外围基底以及若干集成在所述外围基底上串联输出、谐振频率接近的基础芯片，所述基础芯片包括框架、一端分别与所述框架内表面连接的若干悬臂梁、以及由各所述悬臂梁另一端支撑的质量块，各所述悬臂梁均包括两相串联的压电振子。2.根据权利要求1所述的宽频压电式MEMS振动能量采集器，其特征在于:所述悬臂梁包括压电层、覆盖在所述压电层上表面且断开的上电极层、以及覆盖在所述压电层下表面的下电极层以构成两相串联的所述压电振子。3.根据权利要求2所述的宽频压电式MEMS振动能量采集器，其特征在于:所述框架内表面至少连接有四个均匀分布的所述悬臂梁。4.根据权利要求2所述的宽频压电式MEMS振动能量采集器，其特征在于:所述外围基底上设有若干外接引线键合焊盘，所述上电极层与所述下电极层与所述外接引线键合焊盘之间均连接有引线。5.根据权利要求2所述的宽频压电式MEMS振动能量采集器，其特征在于:所述压电层为PZT压电薄膜。6.根据权利要求1-5任一项所述的宽频压电式MEMS振动能量采集器，其特征在于:所述外围基底上集成有四个阵列分布的所述基础芯片。
【专利摘要】本发明提出了一种宽频响应的压电式MEMS振动能量采集器，通过将环境中的振动能转换为电能，利用压电材料的正压电效应实现机械能向电能的转换。采用易与环境产生共振的悬臂梁-质量块结构作为基础芯片，利用多基础芯片阵列集成来提高能量采集器件的总输出电能，利用各基础芯片不同的结构参数来拓宽频带范围，以应用于多种振动环境。本发明提出的能量采集装置具有宽频响应能力，拓宽了工作响应频段，多基础芯片集成具有高的输出能量，通过该装置对环境振动能量进行收集，具备自供电、稳定、可持续等优势，有望解决无线传感网络等应用系统的自供电问题。
【IPC分类】H02N2/18
【公开号】CN105262371
【申请号】CN201510725018
【发明人】陈婷婷
【申请人】苏州工业园区纳米产业技术研究院有限公司
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年10月29日