一种多通道相位调节的压电阵列及其制备方法

本发明属于压电能量收集领域，具体涉及一种多通道相位调节的压电阵列及其制备方法。

背景技术：

1、随着纳米技术、微电子学和生物医学领域的最新进展，对智能电子系统和无线能源的需求迅速增加。纳米技术、微电子学和生物医学之间的协同作用可以非常强大，并在各种应用中发挥了关键作用。可植入的生物医学设备(ibd)目前应用于身体的各个部位，作为人工治疗手段，包括心脏除颤仪、心脏起搏器、人工视网膜和深度脑刺激器。这些生物医学电子设备可以提供针对与大脑、心脏和感觉器官相关的各种疾病的实时诊断和治疗。电池技术的进步为ib d提供了可能，但电池的存储能力和使用寿命的改进仍然具有挑战性。目前，电池的寿命仍然有限，只有几年。定期更换电池的外科手术会延长住院时间，增加患者的风险，如高发病率甚至死亡。因此，需要更多的研究和努力，以延长电池的使用寿命，甚至消除植入物中的电池，以减轻患者的医疗负担。

2、最近提出了基于自供电系统的新能源收集策略，旨在消除电池并扩展其功能。这些系统结合了热电效应、压电效应、磁致伸缩效应或电磁感应等能源收集设备，将其集成到人体内，从热能和周期性生物力学运动中产生电能。

3、但是由于目前的超声诱导的压电阵列所选择的全并联式压电单元的连接方式，由于超声能量在空间内分布的不均匀性，不同的压电单元之间获取的电能量信号会产生相位之间的差异，这种现象会导致最终的总能量输出效果变差。

技术实现思路

1、本发明提出了一种多通道相位调节的压电阵列及其制备方法，目的是解决由于超声能量在空间内分布的不均匀性，不同的压电单元之间获取的电能量信号会产生相位之间的差异所导致的最终的总能量输出效果变差的问题，并能提高能量输出的总功率与稳定性。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一种多通道相位调节的压电阵列，该压电阵列包括：柔性硅片基底、聚二甲基硅氧烷(pd ms)、金属电极、整流调相电路、压电单元(锆钛酸铅系压电陶瓷，pzt-5h)；其中所述柔性硅片基底上表面为一层聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷上表面为金属电极、整流调相电路、压电单元，然后整体被聚二甲基硅氧烷包裹封装；

4、其中金属电极为柔性聚酰亚胺(pi)覆铜(cu)电极，金属电极包括：压电通道、第一调相连接结构、第二调相连接结构、压电连接结构、第一蛇形线结构、第二蛇形线结构；其中压电通道包括4个并列排布的u形蛇形带，在每个u形蛇形带的一边有复数个压电连接结构，压电连接结构所在位置的蛇形带不连续，通过压电单元进行电位连接；调相连接结构有3个连接点；第一u形蛇形带的一端连接第一调相连接结构第一连接点，另一端连接第一调相连接结构第二连接点和第一蛇形线结构；第二u形蛇形带的一端连接第一调相连接结构第一连接点，另一端连接第二调相连接结构第一连接点；第三u形蛇形带一端连接第二调相连接结构第一连接点，另一端连接第二调相连接结构第二连接点；第四u形蛇形带一端连接第二调相连接结构第三连接点，另一端连接第二蛇形线结构；

5、蛇形线结构包括一条竖直蛇形带、多条平行蛇形带，多条平行蛇形带的一端垂直连接竖直蛇形带一侧，第一蛇形线结构的平行蛇形带与第二蛇形线结构的平行蛇形带间隔平行排布，两两之间不接触；

6、第一蛇形线结构中的竖直蛇形带的一端连接第一u形蛇形带，一端连接第一蛇形线结构中的平行蛇形带，第二蛇形线结构中的竖直蛇形带的一端连接第四u形蛇形带，一端连接第二蛇形线结构中的平行蛇形带；

7、压电连接结构、调相连接结构作为焊接点分别焊接压电单元、整流调相电路，其中整流调相电路包括电阻r、电容c，其中，电阻r连接调相连接结构的第一连接点和第二连接点，电容c连接调相连接结构的第二连接点和第三连接点。

8、本发明还提供了一种多通道相位调节的压电阵列的制备方法，具体步骤如下：

9、s1：获取厚度为30μm的柔性硅片基底并经过清洗吹干备用；

10、s2：柔性硅片基底上表面涂覆一层1mm厚的聚二甲基硅氧烷，自然风干并保留粘性；

11、s3：在柔性聚酰亚胺覆铜上进行激光刻蚀绘制电极图案，得到金属电极；

12、s4：将金属电极转移到具有粘性的聚二甲基硅氧烷上表面，并将金属电极图案上设计的焊接点位处涂抹低温焊锡膏；

13、s5：将压电单元、整流调相电路放置在焊接点；

14、s6：加热固化；将未固化的器件放置在热台上，200℃加热2min使低温焊锡膏融化，自然冷却完成压电单元、电阻、电容和金属电极的焊接；

15、s7：器件整体封装；将聚二甲基硅氧烷倒入承载器件的容器中直至完全包裹住器件整体，自然固化2天完成封装。

16、作为一种优选方式，u形蛇形带上的压电连接结构为4个。

17、本发明的有益效果如下：

18、(1)制备了一种多通道相位调节的压电阵列，提升了压电阵列的总能量输出，并优化压电阵列的输出稳定性。多通道相位调整的策略内容：将4x4的压电单元构成的阵列分为4个通道，每个通道由四个压电单元串联构成，通过多次测试得到两个通道间的电信号相位差平均值为22.4度，将平均值带入到整流调相电路计算公式中得到整流调相电路的电阻r，电容c数值为r×c＝1.38x10-6，通过整流调相电路后电信号的耦合效果得到优化使得压电能量收集阵列的能量输出数值及稳定性得到提升。

19、(2)采用聚二甲基硅氧烷(pdms)将器件封装，为压电阵列的封装提供了柔性化选项，进一步提高了能量收集的稳定性和灵敏度。

20、(3)采用激光刻蚀的办法对金属电极进行图案化，省去了复杂的光刻步骤，工艺流程简单易行，可靠性高，成本低廉，能够满足快速且大规模的生产，具有很好的推广前景。

技术特征：

1.一种多通道相位调节的压电阵列，其特征在于，所述压电阵列包括柔性硅片基底、聚二甲基硅氧烷、金属电极、整流调相电路、压电单元；其中所述柔性硅片基底上表面为一层聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷上表面包括：金属电极、整流调相电路、压电单元，然后整体被聚二甲基硅氧烷包裹封装；

2.根据权利要求1所述的一种多通道相位调节的压电阵列，其特征在于，所述压电单元为锆钛酸铅系压电陶瓷，所述每个u形蛇形带上的压电连接结构为4个。

3.根据权利要求1所述的一种多通道相位调节的压电阵列，其特征在于，所述整流调相电路包括电阻r、电容c，其中，电阻r连接调相连接结构的第一连接点和第二连接点，电容c连接调相连接结构的第二连接点和第三连接点。

4.根据权利要求3所述的一种多通道相位调节的压电阵列，其特征在于，电阻r、电容c的数值为r×c＝1.38x10-6。

5.一种制备如权利要求1-4任一所述的一种多通道相位调节的压电阵列的方法，其特征在于，所述制备方法具体步骤如下：

6.根据权利要求5所述的一种多通道相位调节的压电阵列的制备方法，其特征在于，利用机械减薄的方法获得厚度为30μm的柔性硅片基底。

7.根据权利要求5所述的一种多通道相位调节的压电阵列的制备方法，其特征在于，所述清洗吹干的过程具体为将柔性硅片基底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗，随后用氮气吹干备用。

技术总结
本发明提出了一种多通道相位调节的压电阵列及其制备方法。新型压电阵列使用压电单元PZT‑5、柔性PI覆Cu电极、封装材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)和整流RC电路组装，主要解决由于超声能量分布不均匀导致的总能量输出效果降低的问题。制备步骤包括基底的准备和清洗，通过激光刻蚀在PI覆Cu上形成金属电极，并将其转移到PDMS上，加热固化，然后进行整体封装。本发明提高了压电阵列的总能量输出，优化了其稳定性，同时具有高效率和低成本，可满足大规模生产的需求。

技术研发人员：林媛,姜春阳,姚光
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17