专利名称：一种宽频带低频微型压电振动能采集系统的制作方法
技术领域：
本发明属于可再生能源领域，特别涉及到将环境振动能转换为电能的微能源技术。
背景技术：
微型振动能采集器利用微结构的受迫振动将环境振动能转换为微结构振动能，进一步利用电磁感应、压电效应或静电效应等将微结构振动能转换为电能，实现对负载或储能器的供电，具有尺寸小、寿命长、易集成等诸多优点，是无线传感网络和微小型自治式微系统迫切需要的理想电源，也是当前国际上微能源研究的热点。根据振动理论可知，当振动能采集器固有频率与环境振动频率十分接近时，采集器的振动部分将产生共振，此时采集器有较大功率输出，而一旦环境振动频率偏离采集器固有频率，采集器输出功率急剧降低。为了将更多的环境振动能转换为电能，振动能采集器的固有频率必须与环境振动频率匹配；为了获取较宽频带的环境振动能，微型振动能采集器必须具有较宽的频带范围。据统计，常见环境中的振动能主要集中于IOOHz以下，但国内外目前基于微电子机械系统(MEMS)技术研制的微型振动能采集器的固有频率大多在 IOOHz以上，而且其频带宽度窄，将宽频带环境振动能转换为电能的效率低，难以满足无线传感节点等实际应用对象的用电需求。由以上分析可知，常规微型振动能采集器固有频率高、频带窄，难以满足无线传感网络等的应用对象的需求，开展宽频带低频微型振动能采集器研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种可以高效获取较宽频带的环境低频振动能，并将其转换为电能的微型振动能采集系统。为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案
一种宽频带低频微型压电振动能采集系统，由微型压电振动能采集器、底座和滚珠构成。两个微型压电振动能采集器平行放置并通过固支点固定于底座的两侧，底座上设置圆柱形通孔，通孔内放置滚珠，通孔位于两个微型压电振动能采集器的振动梁之间，其中通孔两端开口距离振动能采集器的振动梁的距离小于滚珠的直径。在环境振动作用下，滚珠在通孔内滚动，当滚珠的一部分滚出通孔与一个振动能采集器碰撞后，导致该采集器振动，而滚珠则被弹回孔内滚向另一个采集器，与另一个采集器碰撞后将导致这个采集器振动，两个采集器的振动将导致其梁上的压电层内的应力交替变化，由于压电效应，在压电层的两个电极之间将产生电势差，利用该电势差就可以为负载供电。所述微型压电振动能采集器可以采用单端有固支点的悬臂梁微型压电振动能采集器，或采用两端有固支点的微型压电振动能采集器，微型压电振动能采集器均具有带压电层的振动梁。本发明提出的宽频带低频微型压电振动能采集系统，其利用环境振动引起的滚珠的滚动，利用滚珠与微型压电振动能采集器的梁碰撞导致采集器的振动，进一步利用压电效应将采集器的振动能转换为电能。由于滚珠与采集器的碰撞频率可以远小于采集器的固有频率，因此利用该方法可以较高效地获取远低于采集器固有频率的环境振动能；另外，由于较宽频带的环境振动均可以导致滚珠与采集器碰撞，因此该采集系统具有较宽的频带。本发明具有以下特点
1、本发明提出的利用滚珠与微型振动能采集器的梁碰撞导致的采集器振动发电，可以高效获取远低于采集器固有频率的环境振动能。2、本发明提出的微型压电振动能采集系统，在较宽频带的环境振动作用下均可以导致滚珠与采集器碰撞，因此可以将较宽频带的环境振动能转换为电能。3、本发明提出的利用滚珠与微型振动能采集器的碰撞发电的方法，具有极大的技术辐射性，不仅可用于微型压电振动能采集器，也可以应用于微型电磁振动能采集器和微型静电振动能采集器等，可以有效地降低其工作频率和扩大其频带宽度。4、本发明提出的宽频带低频微型压电振动能采集系统具有工作频率低、工作频带宽等显著优点，特别适合于为无线传感节点和便携式电子产品等供电。可见，本采集系统具有固有频率低、频带宽、结构简单等优点，在无线传感、便携式电子产品、等领域均具有广阔应用前景。
图1是在SOI衬底上生长的二氧化硅示意图； 图2是刻蚀SOI衬底上层单晶硅的示意图3是热氧化的二氧化硅示意图； 图4是采用剥离工艺制备的金属电极示意图； 图5是制备的压电膜示意图； 图6是采用剥离工艺制备的金属电极示意图； 图7是在SOI基片背面第一层光刻胶示意图； 图8是在SOI基片背面第二层光刻胶示意图； 图9是释放后的微型压电振动能采集器示意图； 图10是底座的正视图11是基于悬臂梁微型压电振动能采集器的宽频带低频微型压电振动能采集系统俯视图12是基于两端固支微型压电振动能采集器的宽频带低频微型压电振动能采集系统俯视图。
具体实施例方式下面结合实施例进一步对本发明进行说明。参见图11，宽频带低频微型压电振动能采集系统由两个悬臂梁微型压电振动能采集器15、16、一个底座12和一个滚珠14构成。微型压电振动能采集器的振动梁为带压电层的梁。底座12采用精密加工技术制作，其正视图见图10，该底座上包含一个圆柱形通孔13。选取球形滚珠14 一个，其直径小于底座上圆柱形通孔13的直径，以便滚珠可以在通孔内滚动，将滚珠14放置于底座的圆柱形通孔13内。将采集器15通过其一端的固支点固定于底座12的一侧，使其振动梁位于通孔13 —侧，其中采集器15的振动梁与圆柱通形孔13 之间的距离小于滚珠14直径，以确保在滚珠与采集器碰撞过程中不会滚出通孔。将另一采集器16对称固定于底座的另一侧，与前一采集器15平行，其振动梁与圆柱形通孔13之间的距离同样小于滚珠14直径。也可以采用两个两端都有固支点的微型压电振动能采集器构成图12所示的宽频带低频微型压电振动能采集系统，两个平行放置的两端都有固支点的微型压电振动能采集器17和18通过固支端对称固定于底座12两侧，底座12上的圆柱形通孔13位于两个微型压电振动能采集器17和18之间，滚珠14位于圆柱形通孔内，滚珠14的直径小于圆柱形通孔13的直径，通孔开口处距离两个振动能采集器的距离小于滚珠的直径。以上宽频带低频
对于上述两个宽频带低频微型压电振动能采集系统，环境振动将导致滚珠14在底座 12的通孔13内滚动，当滚珠14的一部分滚出通孔与振动能采集器15或17碰撞后，将导致采集器15或17振动，而滚珠14则被弹回孔内滚向采集器16或18，与采集器16或18碰撞后将导致采集器16或18振动，两个采集器15和16或17和18的振动将导致其上的压电层内的应力交替变化，由于压电效应，在压电层的两个电极之间将产生电势差，利用该电势差就可以为负载供电。由于滚珠与采集器的碰撞频率可以远小于采集器的固有频率，因此利用该方法可以较高效地获取远低于采集器固有频率的环境振动能。另外，由于较宽频带的环境振动均可以导致滚珠与采集器碰撞，因此该采集系统具有较宽的频带。以上结构中采用的微型压电振动能采集器可以采用硅基微加工技术进行制作。为了避免滚珠与采集器碰撞时对采集器造成损害，需要增加采集器与滚珠碰撞区域的厚度。 例如悬臂梁微型压电振动能采集器可以采用以下工艺流程进行制作
1、选取双面抛光的SOI基片为衬底，该SOI基片由厚度约450-500Mffl的第一单晶硅层 1、厚度约IMffl的第一 SiO2层2和厚度约10 - 60Mffl的第二单晶硅层3组成，通过热氧化生长约200nm的第二 SiO2层，衬底正面涂光刻胶，正面第1次光刻，以光刻胶为掩膜，采用BHF 刻蚀第二 SiO2层，去除光刻胶，形成SiO2层图形4，如图1所示。2、以SiO2层图形4为掩膜，采用感应耦合等离子刻蚀或采用KOH腐蚀第二单晶硅层3，去除第二 SiO2层图形4，得到图2所示的结构。3、在第二单晶硅层3上面采用热氧化或化学气相淀积的方法生长约200nm的第三 SiO2层5，如图3所示。4、在衬底正面涂光刻胶，正面第2次光刻，采用剥离法和溅射法在第三SiO2层5上生长约150nm的下金属电极(Ti/Pt) 6，如图4所示。5、采用溶胶一凝胶法在下金属电极(Ti/Pt) 6上生长厚度I-IOMffl的钛锆酸铅 (PZT)压电膜，衬底正面涂光刻胶，正面第3次光刻，并通过反应离子刻蚀(RIE)对PZT膜进行图形化，形成压电层图形7，如图5所示。6、在衬底正面涂光刻胶，正面第4次光刻，采用剥离法和溅射法在压电层图形7上生长约150nm的上金属电极(Ti/Pt) 8，如图6所示。7、采用反应离子工艺去除衬底背面的SiO2层，在SOI基片的背面涂光刻胶，背面第1次光刻，形成光刻胶图形9，其中在采集器与滚珠碰撞需要加厚处没有光刻胶，如图7所不。8、在SOI基片的背面涂光刻胶，背面第2次光刻，形成光刻胶图形10，其中在采集器与滚珠碰撞处保留光刻胶，如图8所示。9、以光刻胶为掩膜，采用感应耦合等离子刻蚀从SOI基片的背面刻蚀第一单晶硅层1，当光刻胶图形10被刻完后继续刻蚀，此时采集器与滚珠碰撞处的单晶硅将被刻蚀，一直刻蚀到正面的第一 SiO2层2时停止刻蚀，去除光刻胶，利用HF溶液去除SiO2，释放结构。 由于采集器与滚珠碰撞处没有光刻胶图形9保护，因此其厚度稍小于单晶硅层1的厚度。10、采用直流电压对PZT层进行极化，将PZT膜极化为压电膜。最后得到微型压电振动能采集器11，如图9所示。另外，压电层也可以不用PZT材料，而改用PVDF、ZnO、AlN等，压电层的生长也可以采用溅射、MOCVD等方法。为了进一步验证本发明提出的微型压电振动能采集系统可以采集环境中较宽频带的低频振动能，本申请人制作以下结构尺寸的微型压电振动能采集系统。两个悬臂梁微型压电振动能采集器的含压电层的悬臂梁的长度均为27mm，宽度为6. 4mm，悬臂梁包括三层，其中上、下层是两个极化方向相反压电层，均为139 μ m厚的PZT压电层，中间层为厚度为102 μ m的铜层；底座长度为33mm，宽度13mm，高度14mm，底座上的通孔的直径为8. 4mm ； 不锈钢滚珠的直径为8mm;安装完成后，底座通孔开口处与相邻的含压电层的悬臂梁的距离约1mm，可确保滚珠在滚动过程中不会滚出通孔，而且含压电层的悬臂梁自由端在与滚珠碰撞后有Imm以上的自由振动空间。首先对悬臂梁微型压电振动能采集器自身的动力特性进行了测试，测试结果表明，悬臂梁微型压电振动能采集器的一阶固有频率约264Hz。然后将以上微型压电振动能采集系统置于振动台上进行了实验，其中通孔与水平方向平行，在平行于通孔的lOm/s2加速度作用下，对悬臂梁微型压电振动能采集器的输出特性进行了测试，测试结果表明，当环境加速度激励的频率由IOHz逐渐增加到23Hz时，一个悬臂梁微型压电振动能采集器对IOOkQ电阻负载的输出功率由193 μ W逐步增加到602 μ W，因此该微型压电振动能采集系统可以高效获取环境中IOHz到23Hz的低频振动能，其带宽远大于常规的微型压电振动能采集器。以上实验表明，本方明提出的微型压电振动能采集系统可以高效获取远低于采集器固有频率的环境低频振动能，其工作频带较宽，特别适合于获取环境中较宽频带的低频振动能。
权利要求
1.一种宽频带低频微型压电振动能采集系统，由微型压电振动能采集器、底座和滚珠构成；其特征在于所述微型压电振动能采集器有两个，均具有带压电层的振动梁；两个微型压电振动能采集器通过固支点平行固定于底座两侧，底座上设置通孔，孔内放置滚珠，通孔位于两个微型压电振动能采集器的振动梁之间，通孔两端开口距离振动梁的距离小于滚珠的直径；在环境振动作用下，滚珠在通孔内滚动，当滚珠的一部分滚出通孔与一个振动能采集器碰撞后，导致该采集器振动，而滚珠则被弹回孔内滚向另一个采集器，与另一采集器碰撞后将导致另一采集器振动，两个采集器的振动将导致其振动梁上的压电层内的应力交替变化，由于压电效应，在压电层的两个电极之间将产生电势差，利用该电势差为负载供电； 所述系统能获取远低于采集器固有频率的环境振动能。
2.如权利要求1所述的宽频带低频微型压电振动能采集系统，其特征在于所述微型压电振动能采集器采用单端有固支点的悬臂梁微型压电振动能采集器，或两端有固支点的微型压电振动能采集器。
全文摘要
本发明提出一种宽频带低频微型压电振动能采集系统，由微型压电振动能采集器、底座和滚珠构成。微型压电振动能采集器有两个，固定于底座两侧，底座上设置通孔，孔内放置滚珠，通孔位于两个微型压电振动能采集器的梁之间，通孔开口距离振动能采集器的梁的距离小于滚珠的直径。在环境振动作用下，滚珠在通孔内滚动，交替碰撞采集器导致其振动，从而导致其梁上的压电层内的应力交替变化，在压电层的两个电极之间将产生电势差，利用该电势差为负载供电。本发明提出的微型压电振动能采集系统可以高效获取远低于采集器固有频率的环境低频振动能，同时具有工作频带宽的优点，特别适合于为无线传感节点和便携式电子产品等供电。
文档编号H02N2/18GK102223107SQ20111017506
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月27日 优先权日2011年6月27日
发明者贺学锋 申请人:重庆大学