[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：相互堆叠的第一衬底和第二衬底；所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽；所述第二衬底的上表面形成有第二凹槽；所述第二凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第二凹槽相对堆叠形成腔体，该腔体呈球体状；所述永磁体可在所述腔体中运动；在所述第一衬底的上表面设置有第一电感线圈层，在所述第二衬底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、输出功率和输出功率密度(W/cm²)；改善了电磁式振动能量收集器的可靠性和使用寿命，简化了器件制作难度；易于批量制造、制造成本低及易于小型化。

【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MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微机电系统)技术的电磁式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，对于该能量收集器，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，当可动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；另外，当可动永磁体与腔体发生碰撞时，由于发生的碰撞为非弹性碰撞，所以会导致可动永磁体的动能转化为热能(而非电能)损失掉，这进一步降低了能量收集器的收集效率；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。

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，以有效改善电磁式振动能量收集器的能量收集效率、器件的可靠性和使用寿命以及降低器件的加工难度。

【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：相互堆叠的第一衬底和第二衬底；所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽；所述第二衬底的上表面形成有第二凹槽；所述第二凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第二凹槽相对堆叠形成腔体，该腔体呈球体状；所述永磁体可在所述腔体中运动；

在所述第一衬底的上表面设置有第一电感线圈层，在所述第二衬底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第一衬底之间、所述第二电感线圈层与所述第二衬底之间设置有绝缘层。

优选地，所述第一凹槽、所述第二凹槽的表面设置有绝缘层。