一种基于MEMS振动能量采集器的无线传感器微电源的制作方法

本实用新型涉及微能源与自供能的微无线传感器领域，具体涉及一种基于MEMS振动能量采集器的无线传感器微电源。

背景技术：

作为感知物理世界信息重要组成部分的传感器，目前主要通过传统电池或电源供电，但传统电池供电方式因其寿命短、更换不便、更换费用较高、易污染环境等大大限制了微型传感器的发展与应用。MEMS压电式振动能量采集器具有能量转化效率高、结构简单、并具备小型化、寿命长、无污染、易集成等优点，可将其与微型传感器集成在一起形成微电源，进而使得传感器系统从外在电源的束缚中释放出来，完全实现能量的自给自足，从而摆脱电源、电池的限制，开辟灵活多样的应用，从而助推物联网的跨越式发展。

在MEMS压电悬臂梁式的振动能量采集器方面，2008年德国的Kuehne设计、制备和测试悬臂梁式压电能量采集器，得其工作频率为1kHz，且在0.2g的外界激励下的其输出功率为4.28μW。2012年美国的Berdy设计并制备了双压电晶体的压电悬臂梁式能量采集器，为缩短整个装置长度，悬臂梁向内弯折，在0.2g的外界激励下，经测试谐振频率为35Hz，且最大输出功率为198μW。同年法国的Defosseux在SOI基片上镶嵌了AIN薄片，进而制成了体积为2.8mm³的悬臂梁式振动能量采集器，经测试得其谐振频率为214Hz，且在0.25g的外界激励下，其输出频率为0.62μW。

目前经采集器转换的电压在毫伏级，且输出功率在微瓦级，仅能对极低功耗的待供能设备提供电能，应用范围非常窄。一些学者通过控制瞬间放电电路以提高超级电容的输出功率，也有一些学者通过设计采集器的接口电路提高其输出功率，进而驱动待供能设备。

现有微型压电能量采集器存在的问题和缺点：

①微型器件实验结果与理论结果吻合度较差。微弯曲、微压痕等实验证明器件尺寸达到微米级后尺寸效应影响明显，传统动力学难以解释其原因。微型压电能量采集器的输出性能与器件的结构参数密切相关，需建立完善的理论模型来优化系统的各项结构参数，而目前缺少这方面的系统研究。

②器件的谐振频率较高，与周围低频振动环境无法有效匹配。周围环境的振动能量大部分分布在200Hz内，当振动能量采集器的谐振频率较高时就无法较好的匹配环境，进而无法有效的将振动能量转换为电能。

③目前微输出的MEMS能量采集器应用领域小。因MEMS采集器的输出电压(mV)与功率(μW)较低，结合现有的接口电路仅能为低功耗、短时间工作的待供能设备提供电能，而对具有较高额定电压的设备就无法有效的供电，大大限制了MEMS采集器的应用领域。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本实用新型公开了一种基于MEMS振动能量采集器的无线传感器微电源、无线传感器系统，本实用新型将能量转换模块，能量收集及存储模块，升压模块三大模块一体化集成形成适合传感器供电需求的微电源。将该微电源与待供能传感器二次集成，从而实现传感器的自供能。该设计进一步拓宽了振动能量采集器的应用范围，同时也为微传感器的自供能提供了契机。有效解决物联网系统中的数以万计的传感器存在的长期稳定供能难题。

为实现上述目的，本实用新型的具体方案如下：

一种基于MEMS振动能量采集器的无线传感器微电源，包括：

能量转换模块，用于实现环境振动能量向电能的转换，所述能量转换模块转换的电能传输至能量收集与存储模块；

能量收集与存储模块，包括从能量转换模块获得能量的超低功耗芯片，实现电能的高效收集，并将能量转换模块转换的微弱电能源源不断提供给电池充电；

以及升压模块，所述升压模块用于实现将能量收集与存储模块输出的信号进行升压至设定值。

进一步的，所述能量转换模块包括串联组成的2个完全相同的MEMS压电式振动能量采集器，转换的电能经外部电路全波整流接入到能量收集与存储模块。

进一步的，所述能量收集与存储模块收集到的电能达到设定值时，升压模块开始启动，实现升压转换。

进一步的，所述能量收集与存储模块包括电源管理单元，所述电源管理单元分别与一次充电单元及中间储能单元相连。

进一步的，所述MEMS压电式振动能量采集器的微压电悬臂梁在外界振动能量驱动下产生弯曲变形，进而使压电层产生弯曲变形，使压电层的两极间产生输出电压。

进一步的，所述MEMS压电式振动能量采集器的两处改进为：用Si质量块代替传统的镍质量块，将Si梁做成T型梁，并将其与质量块加工成一体。

进一步的，所述MEMS压电式振动能量采集器还包括依次设置在Si梁上且与Si梁形状一致的下电极层、PZT压电层及上电极层。

一种无线传感器系统，将上述传感器微电源与微型加速度传感器集成为一体结构。

本实用新型的有益效果：

本实用新型将能量转换模块，能量收集及存储模块，升压模块三大模块一体化集成形成适合传感器供电需求的微电源。将该微电源与待供能传感器二次集成，从而实现传感器的自供能。该设计进一步拓宽了振动能量采集器的应用范围，同时也为微传感器的自供能提供了契机。

附图说明

图1(a)T型能量采集器三维产品示意图；

图1(b)T型能量采集器正视图；

图1(c)T型能量采集器俯视图；

图2压电式振动能量采集器谐响应分析结果；

图3微电源集成示意图；

图4经BQ25504设计手册配置后电路图；

图5经TPS61020设计手册配置后电路图。

图中，1、PZT压电层，2、Si梁层，3、质量块层，4、上电极层，5、下电极层。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

一种基于MEMS振动能量采集器的无线传感器微电源，该微电源由能量转换模块，能量收集与存储模块和升压模块三个模块组成。能量转换模块主要有2个完全相同的MEMS压电式振动能量采集器串联组成，其转换的电能经外部电路全波整流接入到BQ25504中，完成微弱电能的收集与存储。当收集到的电能达到1V时，TPS61020芯片开始启动，配置相应的外接电阻，实现升压转换。

压电式能量采集器的结构如图1所示，其具体尺寸详见表1。

表1振动能量采集器几何参数

为降低微压能量采集器的成本，与其他学者设计的压电悬臂梁式振动能量采集器的研究相比此处做了两点改进：①用Si质量块代替传统的镍质量块，避免了电镀工艺昂贵的费用及环境污染；②将Si梁做成T型梁，并将其与质量块加工成一体，缩减了加工工艺步骤。

如图1(a)至图1(c)所示，该能量采集器的结构从上到下由五层构成：上电极层4(Ti/Pt(50nm/300nm))，PZT压电层1(PZT-5H)，下电极层5(Ti/Pt(50nm/300nm))，Si梁层2，质量块层3。

微发电装置的核心是由微压电悬臂梁构成的振动发电机构，尺寸量级在微米级，微压电悬臂梁在外界振动能量驱动下产生弯曲变形，进而使压电层产生弯曲变形，使压电层的两极间产生输出电压。经Ansys中的谐响应分析可得其谐振频率为226Hz，最大输出电压为0.2V，如图2所示。

微电源的集成，根据供电需求，参考BQ25504和TPS61020的设计手册配置相应的电感、电阻、电容的值，按图3所示进行集成；实现能量转换模块、能量收集与存储模块和升压模块之间的无缝对接，进而实现与待供能设别的有效集成，开辟出更多灵活多样应用，充分体现出微电源的价值。

将表1中几何参数分别带入到建立的具有微尺度系数的模型中得到的输出性能与与实验测试结果高度吻合，证明了其模型的准确性，对微压电发电结构的设计与制备起到了理论指导作用。

实验条件：在“通用MEMS技术实验室”通过Sol-gel工艺、溅射、光刻、SU8胶等工艺完成微压电发电机构的制备，并在PCB进行封装。

试验设备：信号发生器、激振台、示波器、激光测振仪等。

将微压电振动能量采集器与微型加速度传感器集成形成自供能无线加速度传感器系统，开拓了因传统供电方式制约而无法使用传感器的领域，助推物联网系统的快速发展。

经BQ25504设计手册配置后电路图如图4所示。通过设置R1、R2的阻值实现BQ25504内部最大功率的跟踪，通过配置R3、R4实现BQ25504过压保护，通过配置R5、R6实现BQ25504欠压保护。

将2个完全相同尺寸(表1)的采集器经串联后的电能接入到BQ25504中各引脚的电压或电流随时间的曲线图如图5所示。

TPS61020设计手册配置后电路图如图5所示。通过配置R3、R4、C2是TPS61020的输出电压为5V。

能量转换模块中的压电式振动能量采集器主要由均质Si悬臂梁和PZT-5H等部件组成，实现环境振动能量向电能的转换。当机械结构达到微米级别时，大量实验结果表明器件的性能受尺度效应影响较大。本设计充分考虑微尺度效应的影响，建立具有微尺度系数的能量采集器动力学模型即对压电式振动能量采集器进行了相应的改进，并探讨器件输出功率和谐振频率的影响因素，进而优化器件尺寸，为后续器件制备与功能参数的标定提供理论指导。

关于能量收集与存储，如何实现经能量采集器转换的电能的高效再利用依然是亟待解决的问题，一些学者通过严格控制采集器电路中超级电容的充放电时间来提升其输出功率，难以有效满足一般设备供能的需求。本设计中的能量收集与存储模块采用可在低至80mV的情况下从能量转换模块获得能量的超低功耗芯片BQ25504芯片，在其外部配置相应阻值的电阻、电感和电容，实现电能的高效收集，并将能量转换模块转换的微弱电能源源不断提供给锂电池充电，直至充满至3V。

关于升压模块，传感器采集的信号经放大电路，再经A/D转换处理后，接入到后续的数据处理模块中。因放大电路和A/D转换电路工作电压5V的需求，本设计的升压模块由TPS61020芯片及相应阻值的电阻、电感和电容组成，通过配置TPS61020的外接电阻实现输出电压为5V。

对微压电振动发电机构进行系统的理论研究的最佳实施方式是充分考虑微尺度效应的影响，建立具有微尺度系数的动力学模型，从而将微型器件的系统建模与宏观系统的建模区别开来。

为了摆脱传统供电方式的束缚，本设计采用BQ25504超低功耗芯片实现将采集器实时转换的微弱能量进行收集并存储，并通过TPS61020升压至5V。将采集器，BQ25504及外接电路，TPS61020及外接电路一体化集成形成一个稳定的5V微电源，再将其与待供能传感器集成实现传感器电能的自给自足，从而完成信息的捕获、发射与接收。

该微电源的应用领域具体为：传感器、FR发射器、微控制器及执行器。该微电源可以与上述电气设备分别集成在一起，实现相应设备或器件的自供电。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。