[发明专利]多方向宽频压电MEMS振动能量采集器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微能源技术领域，具体涉及一种宽频MEMS压电振动能量采集器及其制备方法。

背景技术

微机械加工技术、集成电路技术以及无线技术的飞速发展使得诸如微能源技术、射频识别(RFID)、无线通讯、嵌入式系统等为代表的高新技术得以不断进步，发展出了适合严苛工业环境的无线传感器网络，已广泛应用于机械、电力、船舶等领域的设备状态监控和造纸、化工、水处理等领域的自动化流程监控。但是，随着无线传感器网络节点数量越来越大，现代工业要求其在准确、实时和可靠地提供网络监控数据信息的同时，又要求每个网络节点能够长时间、稳定可靠地工作，节点能源尽量少维护甚至免维护。然而，目前无线传感器节点供电方式仍主要采用化学电池，存在能量密度较低、使用寿命有限的问题。因此，能源供给问题已成为制约无线传感器网络规模应用的主要技术瓶颈。

基于振动能量采集的微能源技术，能够收集器件周围环境中广泛存在的振动能，并根据某种能量转换方式转换成电能，从而可以代替电池等传统供电方式为无线传感器节点供电。振动能量采集方法一般有三种：压电式、静电式和电磁式。其中，压电式振动能量采集器具有结构简单、能量密度高、寿命长、可与MEMS加工工艺兼容等优点，已被认为是最有希望代替电池为无线传感器网络节点供电的一种方式，正受到越来越多的关注。但是，现阶段国内外研制的压电振动能量采集器主要集中于采集单一方向的振动能且频带较窄。因此，在振动方向经常变化或同时具备多个方向振动能(如海浪、人体运动)的应用环境中，传统的单方向振动能量采集器能量采集转换效率较低，难以提供足够高的能量为无线传感器网络节点供电。目前，多方向压电振动能量采集器的研究还处于起步阶段，相关的研究较少，且往往存在结构复杂、尺寸较大，无法与MEMS技术兼容等问题。

经对现有技术文献的检索发现，候志伟等在《振动与冲击》(2012年第16期33页—37页)撰文“多方向压电振动能量采集收集装置及其优化设计”。该文提出了一种立方体-球结构的多方向振动能量采集结构，由1个立方体形金属框架、1个金属质量块和8个相同的Rainbow型压电换能器组成，其内部设计成完全对称的结构，采用万向柔性铰链实现压电换能器与金属框架及金属质量块之间的联接。该能量采集结构成功实现了不同方向振动能量的采集，环境振动方向变化对其影响较少，适用性较强。但存在结构复杂，与MEMS制作工艺难以兼容，从而导致器件较大，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，提供一种多方向宽频压电MEMS振动能量采集器及其制备方法，通过新型结构设计解决传统单方向压电振动能量采集器在多方向振动源环境存在能量采集效率低、频带窄等问题，同时实现器件制备方法与MEMS加工技术相兼容，具有制备方法简单、易于实现等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，包括：基座和形成在所述基座上的多个压电悬臂梁、微弹簧、弹簧底座、永磁铁、软磁铁，其中：压电悬臂梁在基座空腔位置均匀布置，且每个压电悬臂梁的一端固定在基座上，另一端悬空，软磁铁固定于悬臂梁的悬空端；微弹簧上端与永磁铁连接，下端固定在弹簧底座上；基座与弹簧底座通过粘接连接，微弹簧位于基座空腔中心位置，且其上永磁铁与压电悬臂梁上的软磁铁在垂直方向上保持一定距离。

所述的压电悬臂梁包括：支撑层以及在基座上依次形成的下电极层、环氧树脂粘接层、压电厚膜层、上电极层。

所述的基座材料是(100)面双面氧化的普通硅片或SOI硅片。

所述的多个压电悬臂梁，数量为3-6个。

所述的微弹簧材料是Cu，或Ni，或Cr。

所述的支撑层与基座硅片为一整体，通过微加工制作，其厚度范围为15-20μm。

所述的压电厚膜材料为PZT压电陶瓷或PMN-PT压电单晶，厚度范围为15-20μm。

所述的环氧树脂粘接层材料为导电型环氧树脂胶，厚度范围是3-5μm。

所述的电极层材料是Cr/Au合金，或者是Ti/Pt合金，或者是Al。

本发明涉及的上述多方向宽频压电MEMS振动能量采集器的制备方法，包括以下步骤：

第一步，在硅片表面上采用溅射或蒸发方法制备一层金属电极层。

所述的硅片为(100)面双面氧化普通的硅片或SOI硅片。

所述的金属电极是Cr/Au合金，或者是Ti/Pt合金，或者是Al。