[发明专利]基于PMNT压电单晶的MEMS宽频振动能量采集器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的器件，具体是一种基于PMNT压电单晶的MEMS宽频能量采集器及制备方法。

背景技术

随着无线传感网络、各类植入式传感器等研究的不断深入，对其供电电源提出新的要求和挑战。微型压电式振动能量采集器，作为一种无需更换、无人看管的新型自我维持微能源，由于可以把器件所处的环境振动通过压电效应转换为电能而为各种低功耗微型电子器件供电，正受到学术界和产业界越来越多的关注。

目前，采用MEMS技术制备的压电能量采集器，大部分是在硅材料基底沉积制备一层PZT薄膜以及作为电极的金属材料复合而成的多层悬臂梁结构。但比较成熟的PZT薄膜制备技术，比如sol-gel法，制备的厚度被限制在2μm以内，这将限制器件的输出性能。如何提高MEMS能量采集器的输出性能以使其能够满足实际应用一直是科研人员追求的目标。

新型压电单晶材料PMNT(xPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)PbTiO₃)，其压电性能比传统的PZT压电陶瓷高出10倍，由于具有优异的压电性能，使得它可以替代传统的压电陶瓷，在声探测、超声成像、高应变驱动器、能量采集等转换器件上得到广泛应用。

另外，MEMS技术研制的压电能量采集器的输出功率与外部环境振动频率密切相关，当压电能量采集器的固有频率与外部环境振动频率相同时，发生共振现象并得到最大输出功率，但是，当压电能量采集器的固有频率偏离外部振动频率时，输出的功率将不断减少。因此，在宽频范围内的能量采集技术是当前MEMS能量采集技术领域的一大热点和难题。

经对现有技术文献的检索发现，Chengliang Sun，Lifeng Qin等在《Journal of Intelligent Material Systems and Structures》20(2009)撰文“PiezoelectricEnergy Harvesting using Single Crystal Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃(PMN-PT)Device”(“采用PMN-PT制备的压电能量采集器”《智能材料与结构期刊》)。该文中提及到的MEMS压电能量采集器，是采用压电性能较好的PMN-PT单晶材料代替传统的PZT陶瓷材料制备的悬臂梁宏观器件，这种形式虽可获得较大的输出功率，但器件较大且未解决宽频问题，实用性不强。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于PMNT压电单晶的MEMS宽频振动能量采集器及制备方法，使压电换能元件在低频振动环境下获得较大的输出功率，以解决传统的MEMS压电能量采集器输出功率低、工作频带窄等问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于PMNT压电单晶的宽频能量采集器，是一种将弯曲振动机械能转换为电能的压电器件，包括：硅固定基座、支撑层、PMNT压电薄膜层以及质量块，其中，所述硅固定基座、支撑层、PMNT压电薄膜层依次贴合形成多层结构，所述多层结构的一端悬空，所述质量块固定在所述多层结构的自由端上。

所述的支撑层为柔性较好的碳纤维或玻璃纤维薄膜。

所述的支撑层与硅固定基座是通过环氧树脂结合。

所述的PMNT压电薄膜层，其表面覆盖电极层。

所述的电极层为Cr、Ni、CrAu合金或TiPt合金制成。

所述的PMNT压电薄膜层，是在支撑层上先通过导电环氧树脂键合PMNT压电单晶，再减薄PMNT制成。

所述的质量块为装满液体的容器。

所述的容器是指采用MEMS方法制备的空心容器。

所述的液体为室温下液体的金属如水银、铟镓。

本发明涉及的上述基于PMNT压电单晶的宽频MEMS能量采集器的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将支撑层粘接于硅固定基座上；

所述的支撑层粘接于硅固定基座上，具体是：将支撑层通过环氧树脂粘接在硅固定基座上，其中，硅固定基座是指双面抛光并且表面热氧化一层二氧化硅的硅片。

第二步，在支撑层上通过键合和减薄方法制备PMNT压电薄膜；

所述的制备PMNT压电薄膜方法，具体是：在制备的硅基支撑层上，将单面抛光的体材PMNT压电材料，通过导电环氧树脂粘贴在支撑层上，然后通过化学机械研磨抛光方法将PMNT压电片厚度减薄至所需的厚度，如5μm-30μm。