[发明专利]新型串联式线圈电磁能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及微机械系统制造领域，具体涉及微纳米加工技术领域，尤其涉及一种可集成化加工的振动能量采集器的制造方法。

背景技术

微机电系统（MEMS）是一种新型多学科交叉的技术，它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多种学科。而利用微纳领域加工技术制备的元器件则有着广泛的应用和前景。本发明涉及一种能够用于对周围环境中的振动能量进行采集并储存为电能的器件。可以针对环境中普遍存在的低频振动进行有效的采集和储存。机械振动是最为常见的能量形式，因此将振动能量转化为电能是目前研究的重点领域和应用范围最广泛的方式，特别适合用作物联网的能量来源。

通常，MEMS振动能量采集器有三种工作原理：压电式、静电式和电磁式。其中，静电式能量采集器具有非谐振采集的优点，因此适用于各种频率，但是需要外接电源，实际使用受限。而压电式具有结构较为简单，输出能量密度高的优点，但是输出电流小，低频输出效率低。相比而言，电磁式能量采集器具有工艺简单，输出功率高等优点，但其谐振的工作原理对外界频率有一定的限制，而且永磁体的集成加工制备也较为困难。特别是CMOS工艺的兼容性问题使得电磁式能量采集器的制备面临极大的挑战。之前的研究表明了这几个特点，在Seok-Min Jung等人在2010年发表的A Wideband Energy Harvesting Device Using Snap-Through Bucking for Mechanical Frequency-up Conversion(23rd IEEEInternational Conference on Microelectromechanical Systems,24-28Jan.,2010,Hong Kong)（中文名：采用机械形变弹力提升技术的宽频带能量采集器）中，输出电压达到9.06V,输出功率达到1.12uW。而在Daigo Miki等人在2010年发表的Large-amplitudeMEMS Electret Generator with Nonliner Spring(23rd IEEEInternational Conference on Microelectromechanical SystemsProc.23rd Int.Conf.MEMS(IEEE-MEMS2010）,24-28Jan.,2010,Hong Kong,China)（中文名：带非线性弹簧的大幅度输出MEMS电极体发电机）中的静电式驻极体的输出功率为1.0uW。在之前的电磁式能量采集器中，多数的永磁体为非集成加工的方法制备的，其磁性可以达到非常高的要求。比如在Sari等人在An Electromagnetic Micro Power Generator for WidebandEnvironmental Vibrations,(Sensors and Actuators A,2008),（中文名：针对宽频带环境振动的电磁式微能量采集器）中的工作中将一系列的线圈做在聚对二甲苯（parylene）振动板与折形梁上，实现了4.2-5kHz宽频范围内的电磁能量采集器。但是由于其永磁体的加工为手工粘贴方式，并不完全是集成加工，所以还不利于大规模生产加工。同时由于电磁式能量采集器的线圈切割磁感线的效率不高，所以导致其输出电压受限。

从以上介绍可知，电磁式能量采集作为一种优势较为明显的振动能量采集方式还没有较好的集成加工制备技术，并且输出电压也制约了它的应用。所以本发明针对电磁式能量采集器的集成加工进行了研究，并提出了新加工工艺提升输出电压，实现了电磁式能量采集器的完全微纳复合加工技术。

发明内容

（一）要解决的技术问题

针对上述对于电磁式能量采集器的加工问题，本发明提供一种可以完全采用集成加工方法，可以和其他MEMS加工工艺完全兼容的制备方法。并且其新电压提升结构使得输出电压有了较大的提升。

本发明的电镀永磁体材料为CoNiMnP合金，CoNiMnP与Cu振动板、折形梁接触良好，并且便于采用电镀方法制备。永磁体阵列的电镀装置采用Co作为阳极，以维持电镀液中Co离子的浓度。在电镀槽两侧放置两块强永磁体以形成外加磁场，在电镀时对电镀的永磁体阵列进行垂直磁化。永磁体的饱和磁场强度与体积呈正相关，所以可以延长电镀时间来增加永磁体高度，以提升磁场强度，使得线圈处于更强的磁场，增加能量采集效率。当横截面积一定时，还可以通过控制电镀磁体厚度来改变磁体的矫顽力、剩磁和磁能积。