【技术领域】
本发明涉及一种收集环境中振动能量的能量收集器及其制备方法，特别地涉及一种基于法拉第电磁感应原理的非谐振型振动能量收集器及其制备方法。
背景技术：
能量收集器可拾取环境能量(如辐射、温差、振动等)并转化为电能为系统供电。与传统的电化学电池比较，能量收集器具有经济、环保且理论上无寿命限制等优点，因此符合能源的未来发展趋势，非常适合于为物联网、可穿戴设备等新兴领域提供电能。太阳能、电磁辐射、温差、振动等都是可拾取的环境能源，与其它环境能源相比，振动是一种分布广泛的能量源，因此，振动能量收集器具有广阔的发展和应用前景。
在各种类型的振动能量收集器中，基于法拉第电磁感应原理的电磁式振动能量收集器的发展最为成熟。一个典型的电磁式能量收集器主要由电感线圈和永磁体构成，其中，电感线圈或者永磁体设置在悬臂梁等可动结构上，在振动环境中，电感线圈和永磁体发生相对运动，进而在电感线圈中产生感应电流。为了提高能量收集效率，要求该类电磁式能量收集器工作在谐振状态(即要求收集器中的拾振结构(如悬臂梁)的固有频率接近环境中的振动频率)，但是，环境中的振动具有频带宽且多变的特点，因此，实际中该能量收集器很难工作在谐振状态，其能量收集效率较低。此外，该类电磁式能量收集器往往仅能收集单一方向的振动能量，当工作在振动方向随机变化的环境时，它的能量收集效率很低。
在相关技术文献中，提出了一种电磁式非谐振型振动能量收集器，在振动环境中，它的拾振结构(可动永磁体)可在设置有电感线圈的腔体内自由运动，无论振动频率和振动方向如何变化，该能量收集器都具有较高的收集效率。但是，该能量收集器因为腔体设置了电感线圈结构，所以腔体表面非常不平整，这导致可动永磁体在腔体表面运动时会产生的很大摩擦，进而导致可动永磁体的动能通过摩擦生热而浪费掉(而非转化为电能)，这降低了能量收集器的收集效率；此外，当永磁体在腔体表面运动时，会对设置在腔体表面的绝缘层及下面的电感线圈造成磨损，因此，该能量收集器的可靠性和使用寿命均有待改善；此外，该能量收集器需要在凹槽这种三维结构表面进行电感线圈的加工，加工难度较大，制备工艺较为复杂，这降低了器件的成品率并增加了器件的制作成本。
基于这些问题，有必要提供一种新的电磁式振动能量收集器及其制备方法，有效改善电磁式振动能量收集器的能量收集效率以及器件的可靠性和使用寿命。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种电磁式振动能量收集器，其包括：相互堆叠的衬底和背板；
所述衬底的下表面形成有凹槽，所述凹槽和所述背板形成腔体，所述腔体内设有永磁体；
所述衬底的上表面设置有第一电感线圈层，所述背板的下表面设置有第二电感线圈层。
优选地，所述第一电感线圈层与所述衬底之间、所述第二电感线圈层与所述背板之间设置有绝缘层。
优选地，所述凹槽的表面设置有绝缘层。
优选地，所述第一电感线圈层和/或所述第二电感线圈层为矩形螺旋面结构或圆形螺旋面结构。
优选地，所述永磁体为球体或者圆柱体。
本发明还提供了一种电磁式振动能量收集器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：选择衬底，刻蚀所述衬底的下表面，形成凹槽结构；
在所述衬底的上下表面沉积绝缘层，形成覆盖所述衬底上表面的第一绝缘层、覆盖所述衬底下表面及所述凹槽结构的第二绝缘层；
在所述第一绝缘层上沉积并刻蚀形成第一电感线圈层；
选择背板，在所述背板的下表面沉积第三绝缘层；
在所述第三绝缘层上沉积并刻蚀形成第二电感线圈层；
在所述凹槽结构内安装永磁体；
将所述衬底的凹槽结构正对所述背板的上表面进行组装，制成所述电磁式振动能量收集器。
优选地，所述第一电感线圈层和/或所述第二电感线圈层形成为矩形螺旋面结构或圆形螺旋面结构。
优选地，所述衬底的凹槽结构正对所述背板的上表面组装形成腔体。
优选地，所述组装包括键合工艺。
优选地，制备所述第一电感线圈层和/或所述第二电感线圈层包括沉积ti/cu或cr/cu的复合层。
本发明的有益效果是：本发明的电磁式振动能量收集器具有较高的能量收集效率、高的输出功率和输出功率密度(w/cm2)；改善了能量收集器的可靠性和使用寿命；制备工艺简单，成本低，成品率高，降低了器件的加工难度和成本，并易于实现器件的小型化。
【附图说明】
图1为本发明的电磁式振动能量收集器的剖面结构示意图；
图2为本发明的电磁式振动能量收集器中第一电感线圈层的平面结构俯视图。
图中：10、衬底，11、第一绝缘层，12、第一电感线圈层，13、凹槽，14、第二绝缘层，20、背板，21、第三绝缘层，22、第二电感线圈层，31、永磁体。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明做详细说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。
实施例1
参照图1和图2，本发明提供了一种电磁式振动能量收集器，该电磁式振动能量收集器包括：相互堆叠的衬底10和背板20；该衬底10的下表面形成有凹槽13，该凹槽13和背板20形成腔体，该腔体内设有永磁体31，该永磁体31为球体或者圆柱体，永磁体31能够在该腔体内运动。
衬底10的上表面设置有第一电感线圈层12，背板20的下表面设置有第二电感线圈层22。第一电感线圈层12和第二电感线圈层22呈矩形螺旋面结构或者圆形螺旋面结构，第一电感线圈层12位于凹槽13上方，第二电感线圈层22位于背板20的下方；凹槽13的深度为100μm～1000μm。
在本实施方式中，衬底10和背板20为具有光滑表面的硅或者玻璃，衬底10和背板20的材料可以相同，也可以不同；第一绝缘层11和第三绝缘层21为厚度在100nm～1000nm的sio2、si3n4或sio2/si3n4的至少一种。第一绝缘层11和第三绝缘层21的材料及厚度可以相同，也可以不同；第一绝缘层11的作用在于实现第一电感线圈层12与衬底10的电隔离；第三绝缘层21的作用在于实现第二电感线圈层22与背板20的电隔离。
第一电感线圈层12和第二电感线圈层22包括一层ti或cr和一层cu复合形成的复合层，线圈层厚度在1μm～10μm。其中，ti或cr用于增加电感线圈层与绝缘层的粘附性，cu用于降低电感线的寄生电阻以提高电感的品质因数。第一电感线层12和第二电感线层22的图形和尺寸可以相同也可以不同；优选地，第一电感线层12和第二电感线层22的图形和尺寸相同，这样在制备过程中可以使用相同的掩膜版加工第一电感线层12和第二电感线层22，从而降低制备成本。
第二绝缘层14优选为热氧化生长的sio2，厚度在500nm～3000nm，热氧化生长的sio2在凹槽等三维结构中的薄膜覆盖均匀性良好，这有助于改善腔体表面的平整度，从而减小可动永磁体在腔体表面运动时的产生摩擦。第二绝缘层14的另一作用在于实现衬底10和背板20之间的电隔离以及背板20与永磁体31之间的隔离。
本发明的电磁式振动能量收集器的工作原理：该能量收集器采用永磁体31作为拾振结构，在振动环境中，永磁体31在腔体内运动，引起第一电感线圈层12和第二电感线圈层22的磁通量发生变化，进而导致在电感线圈层与各自外接负载形成的闭合回路中产生感应电流，从而实现动能转换为电能。
实施例2
本发明提供了一种电磁式振动能量收集器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
选择衬底，刻蚀该衬底的下表面，形成凹槽结构。具体地，例如选用500μm厚的n型(100)硅作为衬底，通过低压化学气相沉积方法在衬底的下表面生长200nm厚度的si3n4；刻蚀该衬底的下表面的si3n4，以si3n4做掩膜使用tmah(四甲基氢氧化铵)试剂对硅衬底进行湿法刻蚀，形成如400μm深的凹槽。
在该衬底的上下表面沉积绝缘层，形成覆盖该衬底上表面的第一绝缘层、覆盖该衬底下表面及该凹槽结构的第二绝缘层。例如使用h3po4溶液去除衬底表面的si3n4，利用湿法热氧化工艺在衬底的上、下表面生长1000nm厚的sio2以形成第一绝缘层和第二绝缘层。
在该第一绝缘层上沉积并刻蚀形成第一电感线圈层。在第一绝缘层上例如使用物理气相沉积工艺形成100nm厚的ti以及5um厚的cu，并对准光刻形成第一电感线圈层。
选用300μm厚的n型(100)硅作为背板，在该背板的下表面通过等离子增强化学气相沉积工艺生长200nm厚度的sio2以形成第三绝缘层。在该第三绝缘层上例如使用物理气相沉积工艺形成100nm厚的ti以及5μm厚的cu，并使用与第一电感线圈层相同的掩膜版刻蚀形成第二电感线圈层。
在凹槽结构内安装永磁体，将该衬底的凹槽结构正对该背板的上表面通过粘合或键合的方法以组装形成腔体，制成所述电磁式振动能量收集器。
应注意，薄膜的制备包括物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺、溅射工艺或者其它工艺。
与现有技术相比，本发明的电磁式振动能量收集器具有较高的能量收集效率、输出功率及输出功率密度(w/cm2)；改善了能量收集器的可靠性和使用寿命；制备工艺简单，成本低，成品率高，降低了器件的加工难度和成本。
具体地，本发明能量收集器的拾振结构为非谐振型的拾振结构，在振动环境中，拾振结构可在腔体内自由运动，拾振结构对不同频率、不同方向的环境振动均能做出敏感地响应，因此，具有较高的能量收集效率。另外，采用两组电感线圈进行能量收集，拾振结构在腔体内运动时，会导致这两组电感线圈均产生电学输出，在相同器件面积的条件下，这进一步提高了收集器的能量收集效率、输出功率及输出功率密度(w/cm2)，易于实现器件的小型化。另外，本发明能量收集器中的腔体内没有设置任何凹凸不平的结构和图形，腔体表面平整，这抑制了拾振结构在腔体表面运动时产生的摩擦以及由于摩擦所造成的能量损耗，进一步提高了收集器的能量收集效率。另外，本发明的拾振结构的运动不会对位于腔体外部的电感线圈造成磨损，改善了本发明的能量收集器的可靠性和使用寿命。
另外，本发明的能量收集器中的电感线圈设置在衬底或背板表面，可采用平面工艺加工，制备工艺简单，成本低，成品率高，这降低了器件的加工难度和成本；在能量收集器制备过程中，器件中的结构(或图形)之间的对准精度要求低，即使存在制作偏差，器件也能正常工作，这进一步降低了器件的加工难度。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。