[实用新型]一种多悬臂宽频MEMS压电俘能器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种多悬臂宽频MEMS压电俘能器，属于微机械电子技术领域。 

背景技术

新能源问题是许多领域面临的问题，微机电系统的能源也是如此。随着惯性测量技术的不断发展，独立无线使用的微惯性测量系统越来越多，如建筑物，桥梁，人行天桥的无线监控传感器，弹道简易修正用的微陀螺惯性测量组件等。这时的微惯性测量系统往往不与大系统有线相连，但又要用电。系统用的电量也许并不大，但却要长间的供电。系统本身的体积很小，所需要的空间也很小，但却离不开电源。对此，传统的供电方式产生了许多问题。 

（1）由于空间狭小，而传统电池的体积相对又比较大。因此，采用传统电池供电，在空间上会大幅度限制其系统的植入。 

（2）传统电池的能量密度较低。目前，电池的能量密度最大为3.78kJ/cm³左右，这就意味着一个1mW的低能耗电子器件，需要100cm³的电池才能维持能量供给。因此，当利用传统电池为微机电器件供能时，电池的这种缺陷十分明显。这在很大程度上限制了它们在整体上的实用化、微型化和集成化。如果通过对现有电源在体积上单纯缩小来完成微型化，由于能量密度较低，简单缩小后能量密度更低，寿命有限，输出总能量无法满足微机电陀螺或微系统单独供电的需求。 

（3）传统电池无法长期储存。众所周知，传统化学电池即使在不使用的情况下，其能量也会随着时间逐渐释放，并且易出现漏液等现象，从而影响整个微惯性系统的可靠性和安全性。需要定期更换，更换成本相对较高，会无端增加系统的维护和使用成本，同时也会造成对环境的污染。当前，产品小型化、微型化、集成化是当今技术发展的大趋势，能源供应已成为制约产品微型化技术发展的瓶颈，其微型化问题受到广泛的重视。随着MEMS（微机电系统）电子芯片技术的发展，使各类微小传感器、微小执行器和其它微小型装置不断涌现，它们的体积远小于1cm³，寿命却达到数年甚至数十年时间，要求有相应寿命的微电源与其匹配。因此，如何向微电子产品无线供能已经成为当前迫切需要解决的问题。一种比较有效的替代传统电池的方法就是直接从环境中提取能量来供给这类器件工作，这类能无线供能的装置称为俘能器。 

从20世纪90年代初，国际上也已逐步开展了针对MEMS使用的微电池研究。根据对文献资料的分析，国际上目前已开展研究的微电池主要有微型锌镍 电池、微型固体电解质锂电池、微型太阳能电池、微型温差电池等。但这些电池用于微惯性系统也存在类似传统电池的问题，如微型锌镍电池、微型固体电解质锂电池也存在不能长期储存及老化等问题；微型太阳能电池及微型温差电池对使用环境的光、温度要求相对苛刻。这在很大程度上限制了微电池在微惯性系统中的使用。由于采用传统电池及微化学电池供电存在上述不足之处，因此，研究随机（伴随微机电系统）电源是一个亟待解决的现实问题。虽然现在也有各种结构形式和不同原理的俘能结构问世，但它们都没有考虑与MEMS工艺兼容、也没有考虑与MEMS芯片体积和能量匹配。 

MEMS俘能技术是利用环境中的噪声或机械振动能量，并将其转换成电能的一种集成微系统。随着材料技术的发展，具有力电耦合特性的高性能压电材料使自俘能技术的实现成为可能。基于高性能压电材料的微自俘能器件具备体积小、重量轻、能量密度高、集成度高、并可与MEMS加工工艺兼容的优点。 

虽然它获得的电能并不很高，一般在微瓦到毫瓦级，但经过储能和管理后不仅能满足微功耗MEMS器件的需求，也可满足整个微测量系统的能量需求。 

目前常用的俘获器振动能的方式有三种，第一种是静电式俘能UCBerkeley制作的静电式微俘能器，第二种是上海交通大学制作的电磁式微压电俘能器，第三种是法国TIMA实验室制作的微压电式俘能器。 

土耳其中东技术大学的SARI所设计加工的俘能器，使用串行连接的悬臂梁在不同的自然频率悬臂阵列产生的外部振动来在宽带俘能器。该设备在外部振动产生的4.2～5kHz频率范围内，10mV电压下，连续输出功率0.4μW，涵盖的800Hz频段。 

美国圣地亚哥州立大学的Mathers et al.设计了一种以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基础层的，以PMN-PT（铌镁酸铅-钛酸铅（驰豫铁电单晶））为压电层，大小为7.4毫米×2毫米×110微米的复合悬臂梁俘能器。振动峰峰值为1毫米时，振动频率1.3千赫时，可产生10V的电压。