[发明专利]一种电磁式振动能量收集器及其制备方法

说明书

本发明提出一种电磁式振动能量收集器及其制备方法，该电磁式振动能量收集器包括：相互堆叠的衬底和背板；所述衬底的下表面形成有凹槽，所述凹槽和所述背板形成腔体，所述腔体内设有永磁体；所述衬底的上表面设置有第一电感线圈层，所述背板的下表面设置有第二电感线圈层。通过本发明的制备方法制备的电磁式振动能量收集器具有较高的能量收集效率、高的输出功率和输出功率密度(W/cm²)；改善了能量收集器的可靠性和使用寿命；制备工艺简单，成本低，成品率高，降低了器件的加工难度和成本，并易于实现器件的小型化。

【技术领域】

本发明涉及一种收集环境中振动能量的能量收集器及其制备方法，特别地涉及一种基于法拉第电磁感应原理的非谐振型振动能量收集器及其制备方法。

【背景技术】

能量收集器可拾取环境能量(如辐射、温差、振动等)并转化为电能为系统供电。与传统的电化学电池比较，能量收集器具有经济、环保且理论上无寿命限制等优点，因此符合能源的未来发展趋势，非常适合于为物联网、可穿戴设备等新兴领域提供电能。太阳能、电磁辐射、温差、振动等都是可拾取的环境能源，与其它环境能源相比，振动是一种分布广泛的能量源，因此，振动能量收集器具有广阔的发展和应用前景。

在各种类型的振动能量收集器中，基于法拉第电磁感应原理的电磁式振动能量收集器的发展最为成熟。一个典型的电磁式能量收集器主要由电感线圈和永磁体构成，其中，电感线圈或者永磁体设置在悬臂梁等可动结构上，在振动环境中，电感线圈和永磁体发生相对运动，进而在电感线圈中产生感应电流。为了提高能量收集效率，要求该类电磁式能量收集器工作在谐振状态(即要求收集器中的拾振结构(如悬臂梁)的固有频率接近环境中的振动频率)，但是，环境中的振动具有频带宽且多变的特点，因此，实际中该能量收集器很难工作在谐振状态，其能量收集效率较低。此外，该类电磁式能量收集器往往仅能收集单一方向的振动能量，当工作在振动方向随机变化的环境时，它的能量收集效率很低。

在相关技术文献中，提出了一种电磁式非谐振型振动能量收集器，在振动环境中，它的拾振结构(可动永磁体)可在设置有电感线圈的腔体内自由运动，无论振动频率和振动方向如何变化，该能量收集器都具有较高的收集效率。但是，该能量收集器因为腔体设置了电感线圈结构，所以腔体表面非常不平整，这导致可动永磁体在腔体表面运动时会产生的很大摩擦，进而导致可动永磁体的动能通过摩擦生热而浪费掉(而非转化为电能)，这降低了能量收集器的收集效率；此外，当永磁体在腔体表面运动时，会对设置在腔体表面的绝缘层及下面的电感线圈造成磨损，因此，该能量收集器的可靠性和使用寿命均有待改善；此外，该能量收集器需要在凹槽这种三维结构表面进行电感线圈的加工，加工难度较大，制备工艺较为复杂，这降低了器件的成品率并增加了器件的制作成本。

基于这些问题，有必要提供一种新的电磁式振动能量收集器及其制备方法，有效改善电磁式振动能量收集器的能量收集效率以及器件的可靠性和使用寿命。

【发明内容】

为了解决上述问题，本发明提供了一种电磁式振动能量收集器，其包括：相互堆叠的衬底和背板；

所述衬底的下表面形成有凹槽，所述凹槽和所述背板形成腔体，所述腔体内设有永磁体；

所述衬底的上表面设置有第一电感线圈层，所述背板的下表面设置有第二电感线圈层。

优选地，所述第一电感线圈层与所述衬底之间、所述第二电感线圈层与所述背板之间设置有绝缘层。

优选地，所述凹槽的表面设置有绝缘层。

优选地，所述第一电感线圈层和/或所述第二电感线圈层为矩形螺旋面结构或圆形螺旋面结构。

优选地，所述永磁体为球体或者圆柱体。

本发明还提供了一种电磁式振动能量收集器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：选择衬底，刻蚀所述衬底的下表面，形成凹槽结构；