一种微型压电和电容复合振动能量采集器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种微型压电和电容复合振动能量采集器，属于微机电系统和微能源【技术领域】。压电能量采集单元与支撑体上部连接，该支撑体下部键合在基体上，在该支撑体的内部有电容能量采集单元，该电容能量采集单元中有电解质。优点是既采用同一机构实现了两种不同机制的能量采集，以达到对输出能量叠加放大的效果，又通过对压电和电容能量采集单元的结构提高了器件的能量转换效率，可高效率的实现宽频带振动能量的采集，尤其适用于低频小振幅环境振动的能量采集。
【专利说明】一种微型压电和电容复合振动能量采集器
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电系统和微能源【技术领域】，尤其涉及一种微型压电、电容复合振动能量采集器。
【背景技术】
[0002]随着无线传感器网络技术的发展，传感器的能源供给问题已成为制约传感器发展的重要因素。当前，微电子器件的功耗已降低至几十至几百微瓦的量级，在这样的能耗需求下，利用能量采集器将周围环境的能量通过某种方式自动转化成电能，从而为各种低功耗微电子器件供电成为可能。同传统能源(如传输线、电池等)相比，能量采集器不受连接线限制，且无需频繁更换，适合为各种低功耗无线传感器供能。
[0003]环境中存在一种无处不在的能量:振动。振动能量采集器是自主电源供给研究的重点，其工作方式主要有电磁式、静电式和压电式三种。电磁式一般体积较大，为能量米集器的微型化设计增加了难度。鉴于压电式和静电式振动能量采集器体积小、输出能量高等优点，过去几年中相关研究院所对压电式和静电式能量采集器开展了研究。美国加州大学伯克利分校的Pisano教授采用振动_压电的能量转换模式，研制了在高温下仍能获得87uW/cm2功率密度的能量采集器；美国罗切斯特大学(University of Rochester)的S ΜGracewski设计了一种用于采集振动能量的电容能量采集器，通过在电极板间添加电离子物质提高了能量采集效率；美国亚利桑那州立大学(Arizona State University)的YabinLiao研究了在悬臂梁不同位置上添加质量块对悬臂梁振动特性及能量采集效率的影响；清华大学的王晓峰通过在电容极板表面进行三维结构设计提高了电容的存储能力。综上所述，如何最大限度的提高能量转换效率是研究者关心的一大热点问题。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种微型压电和电容复合式振动能量采集器，目的是提高能量转换效率。
[0005]本发明采取的技术方案是:压电能量采集单元与支撑体上部连接，该支撑体下部键合在基体上，在该支撑体的内部有电容能量采集单元，该电容能量采集单元中有电解质。
[0006]本发明所述压电能量采集单元结构是:蛛网状压电薄膜上部沉积有上电极、下部沉积有下电极，该下电极与支撑材料固定连接，上电极与导线一连接，下电极与导线二连接。
[0007]本发明所述压电能量采集单元中支撑材料下部固定连接质量块。
[0008]本发明所述电容能量采集单元包括上极板和下极板，下极板与基体固定连接，上极板与支撑材料下部连接，上极板与导线三连接，下极板与导线四连接。
[0009]本发明所述上极板和下极板的表面有球状微结构或金字塔状微结构。
[0010]本发明所述下极板采用阶梯结构。
[0011]本发明的优点是结构新颖，采用压电和电容复合作用机制进行振动能量采集，提高了能量转换效率。采用蛛网状压电薄膜的受力方向与压电电荷产生的方向相互垂直，压电常数为d31，与能量采集器设计的振动模态相符合，较大的提高了能量转换效率。蛛网状压电薄膜采用了蛛网状新型结构设计，可在同等外界振动环境下使蛛网状压电薄膜产生更大的形变，以获得更多的压电电荷，提高能量转换效率。电容上下极板表面进行了表面球状微结构及表面金字塔状微结构的处理，较大的提高了能量转换效率。通过质量块的质量改变压电能量采集单元的固有频率，拓宽能量采集器的适用频率范围；电容上下极板间距可根据环境中的振幅大小进行调整，以达到最佳能量转换效率。
[0012]既采用同一机构实现了两种不同机制的能量采集，以达到对输出能量叠加放大的效果，又通过对压电和电容能量采集单元的结构提高了器件的能量转换效率，可高效率的实现宽频带振动能量的采集，尤其适用于低频小振幅环境振动的能量采集。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例1的结构示意图；
图3是本发明实施例1的结构示意图；
图4是本发明实施例1的蛛网状压电薄膜的结构示意图；
图5是本发明实施例2的结构示意图；
图6是本发明实施例2的结构示意图；
图7是本发明实施例2的上极板或下极板球状微结构示意图；
图8是本发明实施例3的结构示意图；
图9是本发明实施例3的结构示意图；
图10是本发明实施例3的上极板或下极板金字塔状微结构图；
图11是本发明实施例4的结构示意图；
图12是本发明实施例4的结构示意图；
图13是本发明实施例4阶梯状电容下极板结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]压电能量采集单元1与支撑体2上部连接，该支撑体2下部键合在基体5上，在该支撑体的内部有电容能量采集单元3，该电容能量采集单元3中有电解质4。
[0015]当感受到环境振动时，压电能量采集单元1和电容能量采集单元3 —同振动，这种振动一方面使蛛网状压电薄膜101和支撑材料102产生形变，通过逆压电效应产生电荷，通过上电极、下电极采集电荷至后续整流电路中；另一方面振动引起电容上极板、下极板间正对面积和距离不断变化，导致电容量变化，从而在电容极板表面产生电荷，采集至后续的整流电路中。通过两种机制的复合作用实现振动能向电能的转换。
[0016]本发明所述压电能量采集单元1结构是:蛛网状压电薄膜101上部沉积有上电极104、下部沉积有下电极105，该下电极105与支撑材料102固定连接，上电极104与导线一106连接，下电极105与导线二 107连接。
[0017]本发明压电能量采集单元1采用了蛛网状压电薄膜101和支撑材料102叠放的复合膜状结构，且两者热膨胀系数等物理性能相近，能减小压电能量采集单元形变对复合膜内应力的影响。
[0018]本发明所述压电能量采集单元1中支撑材料102下部固定连接质量块103 ;该质量块103可增加振幅，降低能量采集器固有频率，提高能量转换效率。
[0019]本发明所述电容能量采集单元3包括上极板304和下极板303，下极板303与基体5固定连接，上极板与支撑材料102下部连接，上极板304与导线三305连接，下极板303与导线四306连接。
[0020]本发明所述上极板304和下极板303的表面有球状微结构301或金字塔状微结构302 ;增加了电容变化量，提高了能量转换效率。
[0021]本发明所述下极板303采用阶梯结构；调整阶梯的结构，使之与电容上极板(304)变形后的挠度曲线相应和，最大程度缩小两极板间距，产生更大的电容变化量，从而提高能量转换效率。
[0022]电容能量采集单元3上极板、下极板间添加了电解质4，增大了电容变化量，提高了能量转换效率。
[0023]下边结合附图对发明做进一步说明。
[0024]实施例1
如图2、3、4所示，压电能量采集单元1与支撑体2上部连接，该支撑体2下部键合在基体5上，在该支撑体的内部有电容能量采集单元3，该电容能量采集单元3中有电解质4，所述压电能量采集单元1结构是:蛛网状压电薄膜101上部沉积有上电极104、下部沉积有下电极105，该下电极105与支撑材料102固定连接，上电极104与导线一 106连接，下电极105与导线二 107连接；所述压电能量采集单元1中支撑材料102下部固定连接质量块103 ；所述电容能量采集单元3包括上极板304和下极板303，下极板303与基体5固定连接，上极板与支撑材料102下部连接，上极板304与导线三305连接，下极板303与导线四306连接。
[0025]实施例2
如图5、6、7所示，上极板304和下极板303的表面有球状微结构301，其余同实施例1。
[0026]实施例3
如图8、9、10所示，上极板304和下极板303的表面有金字塔状微结构302，其余同实施例1。
[0027]实施例4
如图11、12、13所示，下极板303采用阶梯结构，其余同实施例1。
【权利要求】
1.一种微型压电和电容复合振动能量采集器，其特征在于:压电能量采集单元与支撑体上部连接，该支撑体下部键合在基体上，在该支撑体的内部有电容能量采集单元，该电容能量采集单元中有电解质。
2.根据权利要求1所述的一种微型压电和电容复合振动能量采集器，其特征在于:所述压电能量采集单元结构是:蛛网状压电薄膜上部沉积有上电极、下部沉积有下电极，该下电极与支撑材料固定连接，上电极与导线一连接，下电极与导线二连接。
3.根据权利要求2所述的一种微型压电和电容复合振动能量采集器，其特征在于:所述压电能量采集单元中支撑材料下部固定连接质量块。
4.根据权利要求1所述的一种微型压电和电容复合振动能量采集器，其特征在于:所述电容能量采集单元包括上极板和下极板，下极板与基体固定连接，上极板与支撑材料下部连接，上极板与导线三连接，下极板与导线四连接。
5.根据权利要求4所述的一种微型压电和电容复合振动能量采集器，其特征在于:所述上极板和下极板的表面有球状微结构或金字塔状微结构。
6.根据权利要求4所述的一种微型压电和电容复合振动能量采集器，其特征在于:所述下极板采用阶梯结构。
【文档编号】H02N2/18GK104506086SQ201510027934
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月21日 优先权日:2015年1月21日
【发明者】杨旭, 付宇鹏, 王东方, 赵继 申请人:吉林大学