本实用新型涉及一种微电子机械系统能量收集器，特别涉及一种六维压电式能量收集器，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术：
振动普遍存在于自然界中，有自然产生的振动也有人为产生的振动，振动本身是带有能量的，可以将这部分能量收集、转换、储存起来，并为低功耗电子器件或者其他需要能量的设备提供电能，这样就能为低功耗设施长期提供电能而不需要任何外界供电。
为了很好的实现上述目的，人们设计了悬臂梁结构并在悬臂梁上设置压电材料层，通过悬臂梁吸收振动能量并使悬臂梁发生形变带动压电材料产生形变进而产生电能，人们也开始以该方案为基础设计各类压电式振动能量收集器，不过几乎所有的结构都是为了提高一个方向的振动能量吸收效率而设计的，从单一的直角型压电悬臂梁振动能量采集器(中国专利公开号：CN105305879A)，到双稳态复合悬臂梁压电发电装置(中国专利公开号：CN102790549A)，均是为了提高单个方向的振动能量转换效率而做出不同的优化；而空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置(中国专利申请号：201710022632.1)虽然做到了多方向的振动能量收集，不过收集器结构过于复杂，不能在微电子芯片内的集成。同时，目前所有的基于悬臂梁的能量收集器只能收集振动能量，不能有效吸收旋转能量。因此设计一种基于MEMS技术的多向能量收集器是有很大的研究及应用价值。近年来，随着MEMS技术的飞速发展，对MEMS悬臂梁结构进行了深入的研究，使得采用MEMS技术的能量收集器成为可能。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种六维压电式能量收集器，通过MEMS技术使能量收集器小型化、集成化，同时其特殊的结构能够吸收三个方向的振动能量以及三个平面的旋转能量。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本实用新型提供一种六维压电式能量收集器，该收集器以硅为衬底，在所述硅衬底上设置有支持梁；所述支持梁方向与Y轴平行，且其一端连接衬底，另一端垂直连接主悬臂梁；
所述主悬臂梁方向与X轴平行且其平面法向方向为Y轴方向，所述主悬臂梁的表面设置有主压电片，所述主悬臂梁的两侧分别设置有一个主质量块，每个所述主质量块分别垂直连接一个第一副悬臂梁；
每个所述第一副悬臂梁与Y轴平行且其平面法向方向为X轴方向，每个所述第一副悬臂梁的表面分别设置有一个第一副压电片，每个所述第一副悬臂梁的两侧分别设置有一个第一副质量块，每个所述第一副质量块分别垂直连接一个第二副悬臂梁，其中，对应同一个所述第一副悬臂梁的两个第二副悬臂梁分别为一个X向第二副悬臂梁和一个Y向第二副悬臂梁；
每个所述X向第二副悬臂梁与X轴平行且其平面法向方向为Z轴方向，所述X向第二副悬臂梁的表面设置有第二副压电片，所述X向第二副悬臂梁的两侧分别设置有一个第二副质量块；每个所述Y向第二副悬臂梁与Y轴平行且其平面法向方向为Z轴方向，所述Y向第二副悬臂梁的表面设置有第二副压电片，所述Y向第二副悬臂梁的两侧分别设置有一个第二副质量块。
作为本实用新型的进一步技术方案，所述主质量块与所述第一副悬臂梁的连接处位于所述第一副悬臂梁的中点。
作为本实用新型的进一步技术方案，所述第一副质量块与所属第二副悬臂梁的连接处位于所述第二副悬臂梁的中点。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本实用新型这种新型的基于MEMS技术的六维压电式能量收集器具有以下显著的有点：
1、这种结构能够吸收3个坐标轴方向的能量，也就是说无论收集器的位置状态如何，在任意方向传来一个振动，都将在能量收集器结构定义三个坐标轴上分解为三个分量，所有的悬臂梁都将不同程度地发生形变，同时悬臂梁上的压电片也将产生电势差；
2、这种结构能够收集三个坐标平面的旋转能量，也就是说无论收集器的未知状态如何，在任何一个平面旋转，都将在能量收集器结构定义三个坐标平面上分解为三个分量，所有的悬臂梁都将不同程度地发生形变，同时悬臂梁上的压电片也将产生电势差；
3、每个悬臂梁的两端都可以产生形变同时产生电能，因此这里“T型悬臂梁”设计能获取的电能是同规格传统单边“L型悬臂梁”的两倍；
4、通过改变悬臂梁两侧质量块的尺寸，质量，可以改变悬臂梁的谐振频率，从而为后续的定制设计带来了极大的便利；
5、这种结构通过交叉排列可以组成叉指状列阵，提高了结构的集成度，能在相同的芯片面积内放置更多的六维压电式能量收集器；
6、而且这种机构是基于MEMS技术的，具有MEMS的基本优点，比如体积小、重量轻、功耗低等；且与CMOS工艺完全兼容，便于集成，可以将该能量收集器集成如系统芯片中，提高了系统整体的集成度，因此它具有很好的研究和应用价值。
附图说明
图1是结构示意图；
图2是单个悬臂梁示意图；
图3是牺牲层示意图；
图4是沿Z轴负方向传播的振动在支持梁处产生电压在一阶、二阶谐振点附近的频域变化曲线；
图5是沿X轴正方向传播的振动在支持梁处产生电压在一阶、二阶谐振点附近的频域变化曲线；
图中：1-支持梁，2-主悬臂梁，3-主压电片，4-主质量块，5-第一副悬臂梁，6-第一副压电片，7-第一副质量块，8-Y向第二副悬臂梁，11-X向第二副悬臂梁，9、10-第二副压电片，12、13-第二副质量块，14-单结构连接件，15-单结构悬臂梁，16-单结构质量块，17-单结构压电片，18-单晶硅衬底，19-第一牺牲层，20-第二牺牲层。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
本实用新型的六维压电式能量收集器，通过设置三组不同的悬臂梁从而能够吸收3个坐标轴方向的振动能量以及3个坐标平面上的旋转能量，该能量收集器由支持梁1，主悬臂梁2，一对主质量块4，主压电片3，一对第一副悬臂梁5，两对第一副质量块7，一对第一副压电片6，一对X向第二副悬臂梁11，一对Y向第二副悬臂梁8，两对第二副压电片9、10，四对第二副质量块12、13组成。支持梁负责连接能量收集器和衬底，每个悬臂梁两端均设置有质量块，可以控制质量块的尺寸及质量来控制悬臂梁的谐振频率，同时可以加大悬臂梁的振幅，质量块还起着悬臂梁之间的连接作用。每个悬臂梁的表面设有压电材料层，在悬臂梁接收外界振动产生形变的同时，压电材料伴随悬臂梁同时振动发生形变，此时压电材料两端将产生一定的电势差，同时产生微弱电流，多路电流将沿着悬臂梁集中汇入支持梁，最终输出到外界系统。而三组悬臂梁的设计可以将任何方向的振动或任何平面的旋转分解为三个分量上的振动或旋转，进而被三组悬臂梁分别吸收，从而实现六维的能量吸收。
本实用新型的六维压电式能量收集器，结构支撑方式：支持梁1与衬底相连，负责支持整个能量收集器的支撑与固定，同时也是电能输出的总接口，支持梁方向与Y轴平行。
本实用新型的六维压电式能量收集器，Y轴方向振动能量的吸收：主悬臂梁2的平面法向方向为Y轴方向，其两侧分别设置有主质量块4，当主悬臂梁吸收来自Y轴传播的振动时，主悬臂梁两侧及其主质量块4沿同一方向发生位移，主悬臂梁表面设置有主压电片3，伴随主悬臂梁的形变发生形变，同时产生电能。
本实用新型的六维压电式能量收集器，X轴方向振动能量的吸收：第一副悬臂梁5的平面法向方向为X轴并且两侧分别设置有第一副质量块7，当第一副悬臂梁吸收来自X轴传播的振动时，第一副悬臂梁两侧及其第一副质量块7沿同一方向发生位移，第一副悬臂梁表面设置有第一副压电片6，伴随第一副悬臂梁的形变发生形变，同时产生电能。
本实用新型的六维压电式能量收集器，Z轴方向振动能量的吸收：X向第二副悬臂梁11与Y向第二悬臂梁8的平面法向方向为Z轴并且两侧均设置有第二副质量块12、13，当第二副悬臂梁吸收来自Z轴传播的振动时，第二副悬臂梁两侧及其第二副质量块沿同一方向发生位移，第二副悬臂梁表面设置有第二副压电片9、10，伴随第二副悬臂梁的形变发生形变，同时产生电能。
本实用新型的六维压电式能量收集器，X-Y平面旋转能量的吸收：主悬臂梁2与X轴平行，两侧设置有主质量块4；第一副悬臂梁5与Y轴平行，两侧设置有第一副质量块7，当主悬臂梁与第一副悬臂梁受到来自X-Y平面的转动时，每个悬臂梁两侧的质量块将向不同方向发生位移，同时悬臂梁表面的压电片也将伴随悬臂梁发生位移，产生电能。
本实用新型的六维压电式能量收集器，X-Z平面旋转能量的吸收：X向第二副悬臂梁11与X轴平行，两侧设置有第二副质量块13，当X向第二副悬臂梁受到X-Z平面的转动时，悬臂梁两侧的质量块将向不同方向发生位移，同时悬臂梁表面的压电片也将伴随悬臂梁发生位移，产生电能。
本实用新型的六维压电式能量收集器，Y-Z平面旋转能量的吸收：Y向第二副悬臂梁8与Y轴平行，两侧设置有第二副质量块12，当Y向第二副悬臂梁受到Y-Z平面的转动时，悬臂梁两侧的质量块将向不同方向发生位移，同时悬臂梁表面的压电片也将伴随悬臂梁发生位移，产生电能。
本实用新型的六维压电式能量收集器，任何方向传播的振动和任何平面上的旋转均可以在该能量收集器上分解为三个坐标方向或三个坐标平面上的分量，进而分别被三组悬臂梁吸收，从而实现任意方向的振动能量及任意平面的旋转能量的吸收。
本实用新型的六维压电式能量收集器中3种共7个悬臂梁可以分别吸收三个坐标轴方向的振动从而产生形变，悬臂梁的形变同时带动悬臂梁上的压电材料涂层产生形变，从而在压电材料两端产生电压，悬臂梁边缘的质量块可以加大形变程度，同时该设计还能吸收三个坐标平面的旋转能量。三种悬臂梁相互连接，单个悬臂梁的设计如图2所示，连接件(支持梁或前一个悬臂梁上的质量块)采用中间放置，与悬臂梁本体呈T型布置，悬臂梁的两端放置有质量块，悬臂梁表面有压电材料涂层。
本实用新型的六维压电式能量收集器是一种新型、高效的多向振动/旋转能量收集器，具体实施方案如下(坐标轴定义均以图1中坐标轴为准)，该结构为对称结构因此这里只对一侧标识图例，图中：1表示支持梁，为连接能量收集器与衬底的结构，同时支撑整个结构；2表示主悬臂梁，负责吸收图中标识的Y轴方向的振动能量以及X-Y平面上的旋转能量，同时该悬臂梁产生形变；3表示主压电片，伴随着主悬臂梁形变时产生形变，同时压电材料上产生电势差，进而产生电能；4表示主悬臂梁两端的质量块，用于增大主悬臂梁的振幅，控制质量块的大小及质量可以改变主悬臂梁的谐振频率，以此方便定制最终的结构，质量块同时负责连接主悬臂梁与两侧的第一副悬臂梁；5表示第一副悬臂梁，负责吸收图中标识的X轴方向的振动能量以及X-Y平面上的旋转能量，同时该悬臂梁产生形变；6表示第一副压电片，伴随着第一副悬臂梁形变时产生形变，同时压电材料上产生电势差，进而产生电能；7表示第一副悬臂梁两端的质量块，用于增大第一副悬臂梁的振幅，控制质量块的大小及质量可以改变第一副悬臂梁的谐振频率，以此方便定制最终的结构，质量块同时负责连接第一副悬臂梁与两侧的第二副悬臂梁；8表示Y向第二副悬臂梁，负责吸收Z轴方向的振动能量以及Y-Z平面的旋转能量；11表示X向第二副悬臂梁，负责吸收Z轴方向的振动能量以及X-Z平面的旋转能量；9，10表示第二副压电片，伴随着第二副悬臂梁形变时产生形变，同时压电材料上产生电势差，进而产生电能；12，13表示第二副悬臂梁两端的质量块，用于增大第二副悬臂梁的振幅，控制质量块的大小及质量可以改变第二副悬臂梁的谐振频率，以此方便定制最终的结构。
如图1所示的具体实施方案中：
1、在单晶硅衬底上设计有支持梁1，主悬臂梁2，一对第一副悬臂梁5，两对第二副悬臂梁8、11，以及悬臂梁两侧的质量块4、7、12、13，还有悬臂梁上的压电层3、6、9、10。
2、支持梁1与衬底相连，负责支持整个能量收集器的支撑与固定，同时也是电能输出的总接口，支持梁方向与Y轴平行。
3、支撑梁1与主悬臂梁2垂直，连接处位于主悬臂梁中点，呈T型分布，主悬臂梁方向与X轴平行，主悬臂梁平面法向方向为Y轴方向，其两侧分别设置有主质量块4，当主悬臂梁吸收来自Y轴传播的振动时，主悬臂梁两侧及其主质量块4沿同一方向发生位移；当主悬臂梁吸收X-Y平面的旋转能量时，主悬臂梁两侧及其主质量块4沿相反方向发生位移；主悬臂梁表面设置有主压电片3，伴随主悬臂梁的形变发生形变，同时产生电能。
4、主质量块4与第一副悬臂梁5垂直，连接处位于第一副悬臂梁中点，呈T型分布，第一副悬臂梁与Y轴平行，其平面法向方向为X轴方向并且两侧分别设置有第一副质量块7，当第一副悬臂梁吸收来自X轴传播的振动时，第一副悬臂梁两侧及其第一副质量块7沿同一方向发生位移；当第一副悬臂梁吸收X-Y平面的旋转能量时，第一副悬臂梁两侧及其第一副质量块7沿相反方向发生位移；第一副悬臂梁表面设置有第一副压电片6，伴随第一副悬臂梁的形变发生形变，同时产生电能。
5、第一副质量块7与X向第二副悬臂梁11垂直，连接处位于X向第二副悬臂梁中点，呈T型分布，X向第二幅悬臂梁与X轴平行，其平面法向方向为Z轴并且两侧分别设置有第二副质量块13，当X向第二副悬臂梁吸收来自Z轴传播的振动时，X向第二副悬臂梁两侧及其第二副质量块13沿同一方向发生位移；当X向第二副悬臂梁吸收X-Z平面的旋转能量时，X向第二副悬臂梁两侧及其第二副质量块13沿相反方向发生位移；X向第二副悬臂梁表面设置有第二副压电片10，伴随着X向第二副悬臂梁的形变发生形变，同时产生电能。
6、第一副质量块7与Y向第二副悬臂梁8垂直，连接处位于Y向第二副悬臂梁中点，呈T型分布，Y向第二幅悬臂梁与Y轴平行，其平面法向方向为Z轴并且两侧分别设置有第二副质量块12，当Y向第二副悬臂梁吸收来自Z轴传播的振动时，Y向第二副悬臂梁两侧及其第二副质量块12沿同一方向发生位移；当Y向第二副悬臂梁吸收Y-Z平面的旋转能量时，Y向第二副悬臂梁两侧及其第二副质量块12沿相反方向发生位移；Y向第二副悬臂梁表面设置有第二副压电片9，伴随着Y向第二副悬臂梁的形变发生形变，同时产生电能。
7、任何方向传播的振动和任何平面上的旋转均可以在该能量收集器上分解为三个坐标方向或三个坐标平面上的分量，进而分别被三组悬臂梁吸收，从而实现任意方向的振动能量及任意平面的旋转能量的吸收。
8、通过改变质量块的尺寸，质量，材质可以改变能量收集器的谐振频率，为后期设计提供了方便。
通过结构仿真(结构尺寸如图1所示)，沿Z轴负方向传来振动时，支持梁在特征频率(二阶谐振点33.83KHz)能够产生最大53mV的峰值开路电压(如图4所示)；沿X轴正方向传来振动时，支持梁在一阶谐振点(33.77KHz)能够产生近497mV的开路电压(如图5所示)，在二阶谐振点(33.83KHz)能够产生352mV的开路电压(如图5所示)。
如上所述的六维压电式能量收集器的制备方法为：
1)准备单晶硅衬底：采用未掺杂的单晶硅作为衬底；
2)形成牺牲层：采用光刻胶作为牺牲层材料，涂上第一牺牲层，牺牲层厚度1μm，再通过淀积SiO2形成第二牺牲层，牺牲层厚度4μm，如图3所示，在第二牺牲层上再涂覆一层光刻胶；
3)光刻：去除支持梁区域的最上层光刻胶；
4)制作支撑梁：将支持梁部分的第一牺牲层和第二牺牲层全部刻蚀(在第三步光刻之前结构分布为光刻胶(第一牺牲层)-二氧化硅(第二牺牲层)-光刻胶，第三步光刻去除/显影的部分为最上面的那层光刻胶，第一层作为牺牲层的光刻胶不受影响，第一牺牲层的目的是让主悬臂梁不与衬底相连，而支持梁是与衬底相连的所以需要将两层牺牲层全部刻蚀)，刻蚀完毕后在支持梁区域内溅射锡青铜合金(C51100/C51000)或者电镀金属铜，该工序结束后对表面进行平面化处理；
5)光刻：除去主悬臂梁和第一副悬臂梁部分的光刻胶；
6)制作悬臂梁：将主悬臂梁和第一副悬臂梁部分的第二牺牲层全部刻蚀，刻蚀完毕后在悬臂梁区域内溅射锡青铜合金(C51100/C51000)或者电镀金属铜；
7)光刻：除去主质量块以及第一副质量块部分的光刻胶；
8)制作质量块：将质量块部分的第二牺牲层全部刻蚀，刻蚀完毕后在质量块区域内溅射金属镍，该工序结束后对表面进行平面化处理；
9)涂光刻胶：在步骤8形成的器件的表面涂上厚度为0.5μm的光刻胶；
10)光刻：除去第二副悬臂梁部分的光刻胶；
11)制作悬臂梁：溅入锡青铜合金(C51100/C51000)或者电镀金属铜，剥离光刻胶后形成第二副悬臂梁；
12)淀积SiO2：在步骤11形成的器件表面淀积为3μm的SiO2，淀积完毕后对表面进行平面化处理；
13)光刻：除去第二副质量块部分的光刻胶；
14)制作质量块：将第二副质量块部分SiO2(作为第二副质量块的牺牲层)全部刻蚀，溅入金属镍，形成第二副质量块；
15)去除牺牲层：腐蚀第二牺牲层的SiO2，剥离第一牺牲层；
16)溅射压电材料：在悬臂梁、第一副悬臂梁和第二副悬臂梁表面溅射压电材料(PZT-5H，PZT-5B等)，溅射厚度在300-500nm。
区分是否为本实用新型能量收集器的结构的标准如下：
该能量收集器结构采用支持梁和三组悬臂梁及其附属的质量块、压电材料层，悬臂梁与连接结构呈T型连接(连接结构包括前一个悬臂梁两侧的质量块或者支持梁)，该结构在几何方向上的具体定义如下(以图1所示的坐标为例)：支持梁方向与Y轴平行；主悬臂梁与主压电片与X轴平行，法向方向为Y轴；第一副悬臂梁与第一副压电片与Y轴平行，法向方向为X轴；11表示的第二副悬臂梁与X轴平行，法向方向为Z轴；8表示的第二副悬臂梁片与Y轴平行，法向方向为Z轴。
工作原理为：各个悬臂梁可以吸收来自各方向的振动以及各平面的旋转能量，从而产生形变，连带悬臂梁上的压电材料层产生形变，进而产生电势差和电流。由于三组悬臂梁可以吸收三个坐标方向的振动能量以及三个坐标平面的旋转能量，因此沿任何方向传来的振动以及任何方向的旋转均可以分解为三个分量从而被各个悬臂梁吸收
满足以上条件的结构即视为本实用新型的六维压电式能量收集器。
以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。