[发明专利]基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统（MEMS）领域，特别涉及到环境振动能量获取与转换的微能源技术。

背景技术

随着IC技术、MEMS技术和无线通讯技术的发展，越来越多的微型传感器、微型执行器涌现出来。传统电池体积大、寿命短，限制了微系统的应用。微能源能够获取环境能量，并转化为电能，具有体积小、寿命长、免维护等优点，是解决上述问题的有效途径之一。基于压电效应的MEMS振动能量收集器能够将环境中的振动能转换为电能，结构简单，易于微型化及集成化，在无线传感网络、信息化武器装备、物联网和现代电子产品等微型系统领域有广泛的应用前景。

微型振动能量收集器需要通过电路管理进行整流和储能之后才可对负载供电，而电源管理电路要消耗部分电能。当能量收集器输出功率过低时，其产生电能大部分被电路消耗，难以对负载供电。

PZT压电膜压电系数高，能高效的将环境中的振动能转换为电能。但是相对介电常数较大，导致输出电压低，整流损耗较大，难以对负载供电（[1] S. C. Lin, B. S. Lee, W. J. Wu, C. K. Lee. Multi-cantilever piezoelectric MEMS generator in energy harvesting. 2009 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings.755-758.）。

发明内容：

为了提高MEMS振动能量收集器的输出电压，本发明设计了一种基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器，由PZT压电梁阵列、一个质量块和外框组成。压电梁阵列一端固定在外框上，另一端共用一个质量块。该结构可以保证压电梁的输出电压相位和共振频率的一致性，因此压电梁直接串联可提高输出电压，不会因为相位差问题而引起电压的相互抵消。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器，包括由多个压电梁组成的阵列、一个质量块和外框；这些压电梁一端固定在外框上，并沿外框的宽度方向排成一列，构成阵列，每个压电梁之间有一定的间隙，这些压电梁另一端与同一个质量块连接并悬空，即用一个质量块；PZT压电梁之间串联连接，电流由两个焊点连接导线输出。

本发明中能量收集器的压电梁阵列和质量块构为振动部件，其中压电梁中的PZT压电膜为能量转换的功能部件。在振动环境中，压电梁发生弯曲振动，在压电层中产生交变的应变，由于压电效应，上下电极间产生交流电压。压电振动能量收集器的输出电压基本上不受梁宽度的影响，因此为了提高器件的输出电压，将多个压电梁串联连接。压电梁阵列共用一个质量块就可以保证共振频率和相位相同，串联连接时各压电梁的输出电压不会抵消。压电梁之间有一定间隙，可以有效地减小结构的空气压膜阻尼，便于封装。另外由于单个PZT压电梁的压电膜的面积小，在PZT的制备、极化等过程中成品率就相对较高。

本发明具有以下特点：

1、本发明中的PZT压电梁阵列共用一质量块，可保证PZT压电梁的共振频率和相位相同，直接串联连接时各梁的输出电压不会抵消，通过串联提高能量收集器的输出电压。

2、本发明中的压电材料为PZT压电膜，机电耦合系数和压电系数高，能量转化效率高。

3、压电梁之间的间隙可以减小结构的空气阻尼，增加振动幅度。

4、单个PZT压电梁的面积小，可以提高器件的成品率。

5、本发明中的能量收集器结构简单，采用MEMS工艺进行批量化加工，成本低。

6、本发明体积小、输出电压高，特别适合对无线传感网络节点供电。

附图说明

图1是本发明基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器结构图。

图2是本发明基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器结构平面图。

图3是单个压电梁能量收集器结构示意图。由基底、PZT压电材料和上下电极组成。

图4是采用MEMS加工工艺设计的压电复合梁，包括硅基底、SiO₂掩埋层、Ti/Pt层、镍酸镧(分子式LaNiO_3，简称LNO)层、Al电极和PZT压电膜。

图5是SOI衬底上生长二氧化硅和硅的示意图。

图6是在基片正面和背面淀积二氧化硅的示意图。

图7是淀积LNO层和Ti/Pt层，图形化LNO层后的示意图。

图8是生长PZT压电层，并图形化Ti/Pt电极以及PZT压电层后的示意图。