能量收集器的制作方法

本发明涉及能量收集技术，尤其涉及一种能量收集器。

背景技术

能量收集器包括悬臂梁和设置在悬臂梁上的多个压电块，通过悬臂梁的自由端来接收环境中的振动能量(例如风能)产生振动进而使得压电块产生压电效应，再通过压电块两端的电极将压电块在震动过程中产生的电能进行收集和利用。然而，压电块的设置不合理可能导致悬臂梁上不同位置的压电块的两端产生的电势差存在很大的差异，当把压电块并联充电存储时，不同压电块之间会可能会出现自充放电现象，造成内部损耗，降低能量收集器的能效。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种能量收集器。

本发明实施方式的能量收集器包括悬臂梁、多个压电块、第一电极以及第二电极。所述悬臂梁包括用于固定设置的固定端和与所述固定端相反的自由端。多个所述压电块从所述固定端到所述自由端的方向上依次设置。所述压电块的极化方向与所述固定端到所述自由端的方向基本相同。在沿所述固定端到所述自由端的方向上，所述压电块的长度逐块增加。每个所述压电块包括靠近固定端的第一极和靠近所述自由端的第二极。所述第一电极和所述第二电极设置在所述悬臂梁上。所述第一电极与多个所述第一极连接，所述第二电极与多个所述第二极连接。

本发明实施方式的能量收集器工作时，所述自由端可以感受环境中的振动能量发生振动，使得多个所述压电块产生压电效应输出工作电压。一般的，压电效应产生的电势差与所述压电块的内部应力和所述压电块两端电极之间的距离成正比。由于在所述悬臂梁振动过程中，所述悬臂梁自所述固定端到所述自由端方向上的不同截面应力强度逐渐减小。因此，通过沿所述固定端到所述自由端的方向逐块增加所述压电块的长度，能够缩小不同所述压电块两端产生的电势差的差异，甚至使得不同所述压电块两端产生的电势差相同，从而改善甚至消除所述压电块产生自充放电损耗，提高能效。

在某些实施方式中，所述悬臂梁包括基底层和设置在所述基底层上的绝缘层，所述第一电极和所述第二电极均设置在所述绝缘层上。

在某些实施方式中，所述能量收集器包括固定支座，所述固定端固定于所述固定支座上，所述固定支座与所述固定端一体成型。

在某些实施方式中，所述固定支座呈矩形块状，所述固定支座的宽度与所述基底层的宽度基本相同，所述固定支座的侧面与所述基底层的侧面基本垂直连接，所述固定支座的顶面与所述基底层的底面基本平齐。

在某些实施方式中，所述能量收集器包括质量块，所述自由端固定于所述质量块上，所述质量块与所述自由端一体成型。

在某些实施方式中，所述质量块呈矩形块状，所述质量块的宽度与所述基底层的宽度基本相同，所述质量块的侧面与所述基底层的侧面基本垂直连接，所述固定支座的顶面与所述基底层的底面基本平齐。

在某些实施方式中，所述悬臂梁基本呈矩形片状，并包括矩形顶面，所述压电块基本呈矩形块状，所述压电块的极化方向与所述固定端到所述自由端的方向基本相同。

在某些实施方式中，相邻的所述第一电极与所述第二电极间隔设置，相邻的所述第一电极与所述第二电极之间的间隔距离相同。

在某些实施方式中，所述能量收集器还包括设置在所述绝缘层上的第一连接块和第二连接块，所述第一连接块和所述第一电极连接，所述第二连接块和所述第二电极连接。

在某些实施方式中，所述压电块的厚度基本相同。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施方式的能量收集器的俯视示意图；

图2是为图1中按照a-a切割之后得到的剖视示意图。

主要元件符号说明：能量收集器10；悬臂梁11；固定端111；自由端112；基底层113；绝缘层114；压电块12；第一极121；第二极122；第一电极13；第二电极14；固定支座15；质量块16；第一连接块17；第二连接块18。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1和图2，本发明实施方式的能量收集器10包括悬臂梁11、多个压电块12、第一电极13以及第二电极14。悬臂梁11包括用于固定设置的固定端111和与固定端111相反的自由端112。多个压电块12从固定端111到自由端112的方向上依次设置。压电块12的极化方向与固定端111到自由端112的方向基本相同。在沿固定端111到自由端112的方向上，压电块12的长度逐块增加，每个压电块12包括靠近固定端111的第一极121和靠近自由端112的第二极122。第一电极13和第二电极14设置在悬臂梁11上。第一电极13与多个第一极121连接，第二电极14与多个第二极122连接。

本发明实施方式的能量收集器10工作时，自由端112可以感受环境中的振动能量发生振动，使得多个压电块12产生压电效应输出工作电压。一般的，压电效应产生的电势差与压电块12的内部应力和压电块12两端电极之间的距离成正比。由于在悬臂梁11振动过程中，悬臂梁11自固定端111到自由端112方向上的不同截面应力强度逐渐减小。因此，通过沿固定端111到自由端112的方向逐块增加压电块12的长度，能够缩小不同压电块12两端产生的电势差的差异，甚至使得不同压电块12两端产生的电势差相同，从而改善甚至消除压电块12产生自充放电损耗，提高能效。

具体地，l为悬臂梁11的总长度，为1300μm。a、b分别为第一电极13和第二电极14的宽度，宽度均为50μm。d为任意相邻两压电块12中间间隔的距离，间隔距离为50μm。x1、xn-1、xn分别为第1个、第n-1个和第n个压电块12距离悬臂梁11上固定点o的距离，l1、ln-1、ln分别为第1个、第n-1个和第n个压电块12的长度，其中x1和l1均为50μm。

在悬臂梁11受外力作用弯曲时，距离悬臂梁11固定点o距离为x的截面上，弯矩与截面距悬臂梁11自由端112的距离(l-x)成正比，故压电块12的内应力σ满足：

σ＝k(l-x)(1)

式中，k为与材料和外力有关的比例系数。

第n个压电块12两端的电势差vn满足，

式中，d33为压电材料的压电系数，ε为压电材料的介电常数。

要保证所有的压电块12两端电势差相同，即相当于v1＝v2＝…＝vn-1＝vn。对于不同截面处的压电块12而言，在任意特定受力状态下，k、d33和ε均为常数，当已知第n-1个压电块12的位置xn-1和长度ln-1时，可以解得第n个压电块12的位置xn和长度ln的递推公式：

xn＝xn-1+ln-1+b+d+a(3)

如此，通过上述公式，只需要给定第1个压电块12的长度和距离悬臂梁11固定点o的距离，利用上述递推公式即可求得所有压电块12的长度和距离悬臂梁11固定点o的距离。

如此，可以精准的得到不同压电块12的长度以及压电块12距离固定点o的距离，根据相应的数据去设置压电块12的位置，能够进一步改善不同位置的压电块12两端产生的电势差的差异问题，从而改善甚至消除压电块12产生自充放电损耗。

在某些实施方式中，悬臂梁11包括基底层113和设置在基底层113上的绝缘层114，第一电极13和第二电极14均设置在绝缘层114上。

如此，悬臂梁11的制造工艺能够与半导体工艺兼容，并且能够集成化，提高产能。绝缘层114的设置也能够保护悬臂梁11，不会出现漏电之类的情况以致影响到能量收集器10的工作。

在某些实施方式中，绝缘层114采用氮化硅制成。

利用氮化硅制成的绝缘层114，热膨胀系数小，电绝缘性能好，扛击穿电压高。如此，在能量收集器10工作过程中，内部产生的热量和电流不会影响到绝缘层114的性能，从而提升能量收集器10的能效。

在某些实施方式中，基底层113采用soi硅制成。

利用soi硅制成的基底层113制造工艺简单，便于大规模的生产，并且性能优于单体硅。因此，sio硅是基底层最佳的材料。

在某些实施方式中，第一电极13以及第二电极14的厚度与压电块12的厚度相同。

如此的设置能够使得能量收集器10制造工艺简单，多个第一电极13和多个第二电极14都能够采用一种方式或者一个模具制成，方便制造。

在某些实施方式中，悬臂梁11、基底层113和绝缘层114基本呈矩形片状。

矩形片状的设置能够使得悬臂梁11振动更加充分。如若悬臂梁11厚度过大，在悬臂梁11振动过程中，厚度过高可能导致悬臂梁11振动力度和幅度不高。因此悬臂梁11上压电块12受到的应力小，压电块12受到的应力小导致压电块12形变小。此时，压电块12产生的电能小，这样会大大缩小能量收集器10的能效。

在某些实施方式中，能量收集器10包括固定支座15，固定端111固定于固定支座15上，固定支座15与固定端111一体成型。

如此，一体成型的工艺使得固定支座15的制作变得更加简单，适合大量制造生产并且一体成型能够使得固定支座15与固定端111连接更加紧密，不会出现因为固定支座15松动导致能量收集器10不能使用的情况。

在某些实施方式中，固定支座15呈矩形块状，固定支座15的宽度与基底层113的宽度基本相同，固定支座15的侧面与基底层113的侧面基本垂直连接，固定支座15的顶面与基底层113的底面基本平齐。

具体地，矩形的结构简单，因此使得固定支座15的制造工艺简单，便于大规模的生产制造。

在某些实施方式中，能量收集器10包括质量块16，自由端112固定于质量块16上，质量块16与自由端112一体成型。

如此，一体成型的工艺使得质量块16的制作变得更加简单，适合大量制造生产并且一体成型能够使得质量块16与自由端112连接更加紧密，不会出现因为质量块16松动导致能量收集器10不能使用的情况。

更多的，由于能量收集器10在工作过程中，悬臂梁11是在不停的进行振动，质量块16的设置能够提升自由端112上的重力，进而增加悬臂梁11的振幅，但是，不断地振动容易导致质量块16松动甚至是掉落。因此，通过质量块16与自由端112一体成型的设置，不论悬臂梁11如何振动，质量块16与自由端112都是一个整体，不会松动或者是掉落。因此提高了能量收集器10的使用效率和年限。

在某些实施方式中，质量块16呈矩形块状，质量块16的宽度与基底层113的宽度基本相同，质量块16的侧面与基底层113的侧面基本垂直连接，固定支座15的底面与基底层113的顶面基本平齐。

具体地，矩形的结构简单，因此使得质量块16的制造工艺简单，便于大规模的生产制造。并且，质量块16的设置能够提升悬臂梁11振动力度，进而提升能量收集器10的能效。

在某些实施方式中，固定支座15和质量块16均由硅制成，但不限于这一种材料。

在某些实施方式中，固定支座15的长度大于质量块16的长度且质量块16的厚度与固定支座15的厚度相同。

固定端111的质量大于自由端112的质量，因此能够更好地固定能量收集器10。例如，能量收集器10工作时候，自由端112上下振动带动整个悬臂梁11上下振动，当固定端111重量不足时，可能会导致悬臂梁11带动固定端111产生振动，如此会影响到整个悬臂梁11的振动，进而影响到能量收集器10的工作。因此，当固定端111的重量比较大时，悬臂梁11振动不会带动自由端112产生异动，进而不会影响到能量收集器10的工作。

在某些实施方式中，悬臂梁11基本呈矩形片状，并包括矩形顶面，压电块12基本呈矩形块状，压电块12的极化方向与固定端111到自由端112的方向基本相同。

如此，悬臂梁11矩形片状的设置能够使得悬臂梁11形变更加充分，如若悬臂梁11是块状设置，可能会导致形变比较困难。因为悬臂梁11的振动是依靠自由端112的上下振动来实现。因此，厚度会直接影响到悬臂梁11的振动幅度，振动幅度的强弱直接影响到压电块12的压电效应进而影响到电能的产生。压电块12的极化方向与固定端111到自由端112的方向基本相同才能使得压电块12能够产生压电效应进而产生电能。

矩形顶面表面光滑，能够与压电块12、第一电极13、第二电极14、第一连接块17和第二连接块18接触更加紧密。

在某些实施方式中，压电块12采用氮化铝制成。

具体地，氮化铝材料容易获取、氮化铝各种电性能(介电常数、介质损耗、体电阻率、介电强度)优良且氮化铝自身内部结构自成极性，成型后不需要高温高压极化。因此，缩短了能量收集器10的制备过程。并且氮化硅化学性能稳定，因此氮化铝是压电块12理想的材料。

在某些实施方式中，相邻的第一电极13与第二电极14间隔设置，相邻的第一电极13与第二电极14之间的间隔距离相同。

第一电极13和第二电极14相同间隔的设置能够改善甚至消除不同位置的压电块12因为左右两端产生的电势差差异过大而导致的自充放电现象的问题。

在某些实施方式中，第一电极13和第二电极14采用铜制成。

铜易于获取，且相对其他导电材料来说铜的价格相对低廉，能够降低能量收集器10的生产成本。铜的导电性能好，电阻率低，在输送能量过程中不会造成能量的损失。因此铜是第一电极13和第二电极14的理想材料。

在某些实施方式中，能量收集器10还包括设置在绝缘层114上的第一连接块17和第二连接块18，第一连接块17和第一电极13连接，第二连接块18和第二电极14连接。

如此，外部需电设备与第一连接块17以及第二连接块18连接，并且外部需电设备与第一连接块17、第二连接块18以及悬臂梁11形成一个闭合回路。悬臂梁11只要接受到外界的振动能量进行振动，电流就会通过第一连接块17以及第二连接块18流向外部需电设备。

在某些实施方式中，第一连接块17和第二连接块18设置在固定支座15的上方。

在能量收集器10工作过程中，自由端112接收外界能量进行振动，带动悬臂梁11振动。此时，固定端111固定不动。如若第一连接块17和第二连接块18设置于自由端112上，那么第一连接块17和第二连接块18在不断的振动，第一连接块17和第二连接块18可能会出现松动以致影响到电能的输出。

具体地，第一连接块17和第二连接块18采用铜制成。铜易于获取，且相对其他导电材料来说铜的价格相对低廉，能够降低能量收集器10的生产成本。铜的导电性能好，电阻率低，在输送能量过程中不会造成能量的损失。铜的延展性较好，进而能够提升第一连接块17和第二连接块18的尺寸的设计精度。因此铜是第一连接块17和第二连接块18的理想材料。

在某些实施方式中，压电块12的厚度基本相同。

具体地，压电块12的长度设计是基于相同厚度的压电块12为基础，通过根据悬臂梁11位置的不同，受到的应力不同来设计长度。这样的设置就是为了使得悬臂梁11上面的不同位置的压电块12的两端的电势差可以基本相同。但是，当压电块12厚度不一样时，就算是相同位置的压电块12的形变状况也不一样。因此当采用不同厚度但位置相同的压电块12产生的压电效应也是不一样的。并且，相同厚度的压电块12更容易制造，不同厚度的压电块12制造工艺复杂，导致能力收集器10的制造成本增加。

在某些实施方式中，能量收集器10的制造工艺包括：

准备基底层113；

在基底层113的一侧通过射频磁控溅射沉积绝缘层114，绝缘层114覆盖基底层113的表面；

在绝缘层114的一侧通过射频磁控溅射沉积压电层，并对压电层进行湿法蚀刻得到长度逐块变化的压电块12；

在绝缘层114朝向压电块12得一侧通过直流磁控溅射沉积电极层，电极层覆盖绝缘层114和压电块12的表面；

对电极层进行湿法蚀刻得到分布在压电块12两端的第一电极13、第二电极14、第一连接块17和第二连接块18；

在基底层113的背离绝缘层114的一侧向内通过感应耦合等离子体蚀刻形成固定支座15和质量块16。

利用磁控溅射方式得到的绝缘层114、压电层和电极层的纯度高，致密度高，并且表面均匀性好且对材料损伤小，能够使得绝缘层114、压电层和电极层之间联系紧密。此方式几乎适用于所有的金属、玻璃和塑料等材料。通过湿法蚀刻形成的第一电极13、第二电极14、第一连接块17和第二连接块18，尺寸精度高，不会出现第一电极13、第二电极14、第一连接块17和第二连接块18尺寸过长或过短的情况。感应耦合等离子体蚀刻具有高速率的特点，能够进行快速蚀刻，适用于大规模的生产。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。