多方向宽频压电mems振动能量采集器的制造方法
【专利摘要】多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，包括基座、多个压电悬臂梁、微弹簧、弹簧底座、永磁铁、软磁铁。所述的压电悬臂梁由下电极层、环氧树脂粘接层、压电厚膜层、上电极层和支撑层组成；压电悬臂梁阵列在基座空腔位置均匀布置，且每个压电悬臂梁的一端固定在基座上，另一端悬空，软磁铁固定于悬臂梁的悬空端；微弹簧上端与永磁铁连接，下端固定在弹簧底座上；基座与弹簧底座通过粘接连接，微弹簧位于基座空腔中心位置，且其上永磁铁与压电悬臂梁上的软磁铁在垂直方向上保持一定的距离。本实用新型实现了多方向宽频振动能量的有效采集，能够实现加工工艺与MEMS技术相兼容，具有能量转换效率高、运行频带宽、制造工艺简单和成本低等特点。
【专利说明】
多方向宽频压电MEMS振动能量采集器
技术领域
[0001 ]本实用新型属于微能源技术领域，具体涉及一种多方向宽频MEMS压电振动能量采集器。
【背景技术】
[0002]目前，无线传感器网络已广泛应用于机械、电力、船舶等领域的设备状态监控和造纸、化工、水处理等领域的自动化流程监控。但是，随着无线传感器网络节点数量越来越大，现代工业要求其在准确、实时和可靠地提供网络监控数据信息的同时，又要求每个网络节点能够长时间、稳定可靠地工作，节点能源尽量少维护甚至免维护。然而，目前无线传感器节点供电方式仍主要采用化学电池，存在能量密度较低、使用寿命有限的问题。因此，能源供给问题已成为制约无线传感器网络规模应用的主要技术瓶颈。
[0003]基于振动能量采集的微能源技术，能够收集器件周围环境中广泛存在的振动能，并根据某种能量转换方式转换成电能，从而可以代替电池等传统供电方式为无线传感器节点供电。振动能量采集方法一般有三种:压电式、静电式和电磁式。其中，压电式振动能量采集器具有结构简单、能量密度高、寿命长、可与MEMS加工工艺兼容等优点，已被认为是最有希望代替电池为无线传感器网络节点供电的一种方式，正受到越来越多的关注。但是，现阶段国内外研制的压电振动能量采集器主要集中于采集单一方向的振动能且频带较窄。因此，在振动方向经常变化或同时具备多个方向振动能(如海浪、人体运动)的应用环境中，传统的单方向振动能量采集器能量采集转换效率较低，难以提供足够高的能量为无线传感器网络节点供电。而多方向压电振动能量采集器又存在结构复杂、尺寸较大，无法与MEMS技术兼容等问题。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提供一种多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，通过新型结构设计解决传统单方向压电振动能量采集器在多方向振动源环境存在能量采集效率低、频带窄等问题，同时从结构上实现器件制备方法与MEMS加工技术相兼容，具有结构简单、实用性强的特点。
[0005]本实用新型的一种多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，包括:基座和形成在所述基座上的多个压电悬臂梁、微弹簧、弹簧底座、永磁铁、软磁铁，其中:压电悬臂梁在基座空腔位置均匀布置，且每个压电悬臂梁的一端固定在基座上，另一端悬空，软磁铁固定于悬臂梁的悬空端;微弹簧上端与永磁铁连接，下端固定在弹簧底座上;基座与弹簧底座通过粘接连接，微弹簧位于基座空腔中心位置，且其上永磁铁与压电悬臂梁上的软磁铁在垂直方向上保持一定距离。
[0006]所述的压电悬臂梁包括:支撑层以及在基座上依次形成的下电极层、环氧树脂粘接层、压电厚膜层、上电极层。
[0007]所述的基座材料是(100)面双面氧化的普通硅片或SOI硅片。
[0008]所述的多个压电悬臂梁，数量为3-6个。
[0009]所述的微弹簧材料是Cu，或Ni，或Cr。
[0010]所述的支撑层与基座硅片为一整体，通过微加工制作，其厚度范围为15_20μπι。
[0011]所述的压电厚膜材料为PZT压电陶瓷或PMN-PT压电单晶，厚度范围为15-20μπι。
[0012]所述的环氧树脂粘接层材料为导电型环氧树脂胶，厚度范围是3_5μπι。
[0013]所述的电极层材料是Cr/Au合金，或者是Ti/Pt合金，或者是Al。
[0014]有益效果:本实用新型合理利用微弹簧具有沿任意方向振动的特性，并借助弹簧上的永磁铁与压电悬臂梁上的软磁铁之间的磁力耦合作用，使压电悬臂梁上下振动并具有非线性特点，从而实现多方向宽频振动能量的采集，大大提高了在振动方向经常变化或同时具备多个方向振动能的应用环境中的能量采集及转换效率，具有转换效率高、运行频带宽等特点。同时，整个器件加工与MEMS工艺相兼容，因此具有制造工艺简单、成本低、实用性强，具有良好的重复性和可批量生产。
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型的新型多方向宽频压电MEMS振动能量采集器结构示意图；
[0016]图2为本实用新型的压电悬臂梁结构侧面示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
[0018]本实施例涉及的一种新型多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，如图1所示，包括基座(I)和形成在所述基座上的多个压电悬臂梁(2)、软磁铁(3)、永磁铁(4)、微弹簧(5)、弹簧底座(6)，其中:3个大小一致的压电悬臂梁(2)在基座圆形空腔位置均匀布置，且每个压电悬臂梁的一端固定在基座(I)上，另一端悬空，软磁铁(3)固定于压电悬臂梁(2)的悬空端;微弹簧(5)上端与永磁铁(4)连接，下端固定在弹簧底座(6)上;基座(I)与弹簧底座(6)通过粘接连接，微弹簧(5)位于基座(I)空腔中心位置，且其上永磁铁(4)与压电悬臂梁上的软磁铁(3)在垂直方向上保持一定距离。
[0019]所述的基座(I)材料是(100)面双面氧化的普通硅片。
[0020]所述的多个压电悬臂梁(2)，数量为3个。
[0021 ]所述的微弹簧(5)材料为Ni。
[0022]所述的压电悬臂梁(2)，其结构侧面图如图2所示，包括:支撑层以及在基座(I)上依次形成的下电极层(7)、环氧树脂粘接层(8)、压电厚膜层(9)、上电极层(10)。
[0023]所述的支撑层由上表面氧化层(11)和器件硅层(12)组成，其中:上表面氧化层
(11)厚度为2mi，器件硅层(12)厚度为20μπι。
[0024]所述的环氧树脂粘接层(8)材料为导电型环氧树脂胶，厚度是4μπι。
[0025]所述的压电厚膜层(9)材料为PMN-PT压电单晶，厚度为20μπι。
[0026]所述的电极层(7)和(10)材料是Ti/Pt合金。
[0027]本实用新型通过微弹簧具有沿任意方向振动的特性，即外界环境任何方向的振动，都将引起微弹簧的振动，从而改变其上永磁铁和压电悬臂梁自由端的软磁铁之间的距离，微弹簧非线性特性及磁力耦合作用使压电悬臂梁上下振动，并呈现明显的非线性特点，将有利于拓宽器件的频带，最终实现多方向振动能量的宽频高效采集。
【主权项】
1.多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，其特征在于，包括:基座、多个压电悬臂梁、微弹簧、弹簧底座、永磁铁、软磁铁，其中:压电悬臂梁在基座空腔位置均匀布置，且每个压电悬臂梁的一端固定在基座上，另一端悬空，软磁铁固定于悬臂梁的悬空端;微弹簧上端与永磁铁连接，下端固定在弹簧底座上;基座与弹簧底座通过粘接连接，微弹簧位于基座空腔中心位置，且其上永磁铁与压电悬臂梁上的软磁铁在垂直方向上保持一定距离； 所述的压电悬臂梁包括:下电极层、环氧树脂粘接层、压电厚膜层、上电极层，以及支撑层。2.根据权利要求1所述的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，其特征在于，所述的多个压电悬臂梁，数量为3-6个。3.根据权利要求1所述的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，其特征在于，所述的压电悬臂梁上的压电厚膜层厚度为15-20μπι。4.根据权利要求1所述的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，其特征在于，所述的环氧树脂粘接层厚度为3-5μηι。
【文档编号】H02N2/18GK205584048SQ201620316295
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月16日
【发明人】唐刚, 邬文静, 胡敏, 徐斌, 闫肖肖, 陈翔, 徐兵, 候诚, 邹鹏君, 杨方毅
【申请人】南昌工程学院