[发明专利]基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器

摘要

本发明涉及一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，属于微机电系统领域。其包括：边框1、2个以上的MEMS电磁-压电复合式俘能单元11、管壳20、盖板2、第一玻璃基板17和第二玻璃基板18。MEMS电磁-压电复合式俘能单元11包括：磁铁3、第一线圈4、质量块5、第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14、第一上电极层7、第二上电极层8、下电极层9、PZT压电材料层10、绝缘层15、第二线圈16。本发明提出的俘能器与已有MEMS振动型俘能器相比较，具有以下优点：①将线圈材料、压电材料的制备与MEMS工艺实现兼容设计，且成本较低。②具有宽频带俘能效果，并同时能输出较大电压和较大电流。

主权项

一种基于MEMS的动磁铁型电磁‑压电复合式宽频俘能器，其特征在于：其包括：边框（1）、2个以上的MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）、管壳（20）、盖板（2）、第一玻璃基板（17）和第二玻璃基板（18）；所述第一玻璃基板（17）固定于盖板（2）的下表面，第一玻璃基板（17）上布置引线及焊盘；所述焊盘的作用是实现与外接负载的电气连接；所述盖板（2）盖在管壳（20）的上面，边框（1）固定于管壳（20）的内部，所述2个以上的MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）固定于边框（1）内，并且MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）与管壳（20）的底面不接触；管壳（20）和盖板（2）的作用是封装边框（1）、全部MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）、第一玻璃基板及第二玻璃基板，对边框（1）、MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）、第一玻璃基板（17）及第二玻璃基板（18）起保护作用；所述边框（1）为长方形或正方形边框，其作用是：①固定并支撑全部MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）；②布置引线及焊盘；所述焊盘的作用是实现与外接负载的电气连接；所述第二玻璃基板（18）固定于在管壳（20）内，位于边框（1）及MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）的下方，第二玻璃基板（18）与MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）不接触；第二玻璃基板（18）上布置引线及焊盘；所述MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）包括：磁铁（3）、第一线圈（4）、质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）、第一上电极层（7）、第二上电极层（8）、下电极层（9）、PZT（锆钛酸铅）压电材料层（10）、绝缘层（15）、第二线圈（16）；所述质量块（5）为正方体或长方体；所述第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）以质量块（5）为中心，对称分布在质量块（5）的两侧，质量块（5）每侧的两根结构梁平行排布，并且每根结构梁的一端与边框（1）固定连接，另一端与质量块（5）固定连接；第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）的形状和尺寸相同；质量块（5）的上表面与第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的上表面位于同一水平面；所述质量块（5）和第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的作用是：①在确定了质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）以及磁铁（3）的形状和尺寸以后，即确定了所述MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）的谐振频率和响应频带；②质量块（5）支撑磁铁（3），当有外界振动信号时，质量块（5）和磁铁（3）进行振动；所述第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和质量块（5）的上表面上是绝缘层（15）；第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）上的绝缘层（15）的上表面上是下电极层（9）；下电极层（9）通过引线与边框（1）上焊盘连接；下电极层（9）的上表面上是PZT压电材料层（10）；PZT压电材料层（10）的上表面上是第一上电极层（7）和第二上电极层（8），第一上电极层（7）和第二上电极层（8）之间有一定间隙；所述PZT压电材料层（10）的作用是：当质量块（5）和磁铁（3）振动时，引起第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和PZT压电材料层（10）弯曲变形，导致PZT压电材料层（10）中产生应力、应变，进而在PZT压电材料层（10）的上表面和下表面产生电荷；所述磁铁（3）固定于质量块（5）的上表面，其作用是：①提供磁场；②配合质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）调节所述MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）的谐振频率和响应频带；所述第一线圈（4）位于磁铁（3）的上方，并固定于第一玻璃基板（17）的下表面，当磁铁（3）相对于第一线圈（4）振动时，第一线圈（4）中的磁通量发生变化，在第一线圈（4）中产生感应电动势，输出能量；第一线圈（4）和磁铁（3）不接触；所述第二线圈（16）位于质量块（5）的下方，并固定于第二玻璃基板（18）的上表面，当磁铁（3）相对于第二线圈（16）振动时，第二线圈（16）中的磁通量发生变化时，在第二线圈（16）中产生感应电动势，输出能量；第二线圈（16）和质量块（5）不接触；所述第一上电极层（7）和第二上电极层（8）的作用是收集PZT压电材料 层（10）上表面产生的电荷；所述下电极层（9）的作用是收集PZT压电材料层（10）下表面产生的电荷；所述MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）的作用是：①当有外界振动作用时，通过质量块（5）和磁铁（3）产生惯性力作用到第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）上，使第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）及PZT压电材料层（10）发生弯曲变形，根据压电效应，在PZT压电材料层（10）上、下表面产生电荷，实现俘能作用；②在外界振动作用下，质量块（5）和磁铁（3）相对于第一线圈（4）和第二线圈（16）发生振动，第一线圈（4）和第二线圈（16）中的磁通量发生变化，进而产生电动势，实现俘能作用；在制备基于MEMS的动磁铁型电磁‑压电复合式宽频俘能器的过程中，通过优化确定每个MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）中的质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）以及磁铁（3）的形状和尺寸，使每个MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）分别具有不同的谐振频率，并且每个MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）的频响之间有交集，将多个MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）组合后，即可实现宽频带俘能效果；当所述的基于MEMS的动磁铁型电磁‑压电复合式宽频俘能器工作在设计的较宽频率范围内时，不同频率的振动总能激发一个MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）工作，达到振动俘能的效果，当工作频率等于MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）的谐振频率时，俘能效果最佳；当外界振动引起质量块（5）和磁铁（3）相对于第一线圈（4）和第二线圈（16）发生振动时，根据压电效应和电磁感应定律，第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）上的PZT压电材料层（10）以及第一线圈（4）、第二线圈（16）同时输出电流、电压，并且PZT压电材料层（10）能输出较大的电压，而第一线圈（4）和第二线圈（16）则能产生较大的电流，即通过同一MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）可同时输出高电压和高电流，实现电磁‑压电复合式俘能作用；当PZT压电材料层（10）的压电系数越大、厚度越厚、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的弯曲变形越大时，输出的电压越大；当第一线圈（4）和第 二线圈（16）的匝数越多、电阻越小、磁铁（3）的剩余磁感应强度越强、第一线圈（4）与磁铁（3）的间距越小、第二线圈（16）与质量块（5）的间距越小时，输出的电流越大；同时，当负载电阻和MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）的内阻相等时，MEMS电磁‑压电复合式俘能单元（11）输出的功率最大。