专利名称：基于pvdf的微型复合式能量采集器及制备方法
技术领域：
本发明涉及ー种基于聚合物压电材料PVDF的微型能量采集器及制备方法，属于微机电系统领域。
背景技术：
随着微纳技术的快速发展，大量新型微纳器件与系统不断的开发出来，如微型发电机、纳米结构光电子器件，用于防病治病的纳米药物输运和定向治疗等，但是，微纳产品的供电问题正成为困扰其应用的主要障碍，原因是目前这些微纳系统的供电主要依靠电池。为避免频繁的更换电池，这就要求电池的工作寿命不断延长，而在ー些特殊的微纳产品或装置中，特别是在植入式系统(如心脏起搏器，植入式传感器等)中，更换电池或充电更是困难。替代电池作为微纳传感器能源的技术途径主要是从微型器件的环境中采集能量，然后将环境的能量转换成电能。由于振动在エ业、建筑甚至生物体中(如肢体运动、血液流动、心脏跳动等)时刻存在，所以采集环境振动的微机电系统(MEMS)压电式 能量采集器得到了国内外同行的重视。在已经开展的研究中，压电材料多采用压电陶瓷PZT,如 D Isarakorn ^人在‘-Tne realization and performance of vibration energyharvesting MEMS devices based on an epitaxial piezoelectric thin film，， (SMARTMATERIALS AND STRUCTURES，2011，VOL. 025015)(中文题目“一种基于外延压电薄膜的MEMS振动能量采集器件的实现和性能”，国际期刊精密材料和结构)文章中报道了包含ImmX 2. 5mmX0. 015mm悬臂梁的能量采集器，悬臂梁外延了 0. 5 μ m厚的PZT并带有lmmXO. 5mm X0. 23mm的硅质量块，在2. 3kHz的振动频率、5. 6k Ω的负载下，可以产生13 μ W,0. 27V 的能量。Jeon 等人在“MEMS power generator with transverse mode thinfilm PZT，，(Sensors and Actuators A, 2005，122:16-22)(中文题目基于 PZT 薄膜 d33压电模式的MEMS能量采集器”，国际期刊传感器和执行器A)文章中报导了另ー种以悬臂梁结构为主的能量采集器。悬臂梁由SiO2或SiNx膜、ZrO2层、PZT层以及相互交叉的电极(Pt/Ti)和质量块构成，其中，ZrO2层能够阻止压电层中电荷的逃逸。在13. 91kHz的振动频率下，功率在负载为5. 2ΜΩ时达到最大值I. 01 μ W。然而由于压电陶瓷密度大,脆性大,カロエ过程中需要高温退火，导致器件生物兼容性、效率等方面有较大不足，且加工难度较大。PVDF是ー种柔性的生物兼容的压电聚合物材料，具有很强的压电性，施加外力时，能产生较大的电压。然而，由于压电材料的内阻特别大，输出的电流很小，当采用单ー的压电式能量采集，输出功率仍然偏低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供ー种基于聚合物压电材料PVDF的微型压电及电磁复合式能量采集器及制备方法。利用柔性聚合物压电材料PVDF (聚偏氟こ烯)取代目前常用的压电陶瓷ΡΖΤ，并与电磁式能量采集方法共同作用，结合MEMS体硅和表面微机械加工技术来制备微型能量采集器。
本发明的微型能量采集器，包括基底、PVDF压电薄膜、包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块和平面螺旋线圈三个主要部分。硅片上电镀平面螺旋铜线圏，PVDF压电薄膜位于线圈的上方或四周，制成悬臂梁结构，并令其单端固支，PVDF压电悬臂梁的自由端上帯有磁性质量块。当PVDF压电悬臂梁的固有频率接近或等于外界环境的振动频率吋，PVDF压电悬臂梁上发生谐振，PVDF压电悬臂梁由于压电效应将振动能转化为电能，其上方的磁性PDMS质量块随着PVDF压电悬臂梁的振动也一起振动，从而穿过平面螺旋线圈的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，平面螺旋线圈就会有感应电动势，从而在外加负载上输出功率。—种微型能量采集器的制备方法，包括如下步骤
(a)处理、清洗硅片；(b)在硅片正面等离子增强化学气相沉积(PECVD) I μ m的SiO2 ；(C)派射 IOOnm 的 Ti/Cu 种子层；(d)甩正胶、第一次光刻；(e)电镀平面螺旋Cu线圈；(f)甩胶、第二次光刻；(g)制作PDMS支撑架或振动窗ロ ；(h)去掉光刻胶、去除种子层(i )将PVDF压电薄膜裁剪成悬臂梁结构，并将包含有磁性纳米颗粒的PDMS质量块粘贴到PVDF压电悬臂梁上，将带有质量块的PVDF压电悬臂梁与平面螺旋线圈、PDMS支撑架或振动窗ロ组合。利用本发明制造的基于压电聚合物PVDF的能量采集器的有益效果在于(I)本发明包含了两种能量采集的方式PVDF的压电式输出和磁性质量块、线圈的电磁式输出，可以增加输出功率，提高能量采集的效率；(2)本发明采用柔性聚合物压电材料PVDF作为压电悬臂梁，能够获得更大的能量输出，且具有很好的生物兼容性，适合生物体应用，不但为微纳传感器自我供电提供了技术途径，而且为微纳传感器在生物体内的无线应用提供了可能，可以应用于内置生物传感器、生物医药监控和生物活体探測等；(3)本发明利用包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块形成磁场，相比微装配或者手工粘连永磁体，使得能量采集器的制备エ艺更加简単，并且可以通过控制PDMS中磁性纳米颗粒的含量改变磁场强度； (4)本发明的PVDF聚合物压电薄膜，还可以在其他MEMS器件和系统制作上进行应用，比如压电式制动器、压电式传感器等等。
图I为含柔性支架的微型复合式能量采集器的结构示意图；图2为本发明的振动悬臂梁示意图；图3为实施例一的エ艺流程图；图4为PVDF压电悬臂梁的自由端与平面螺旋线圈串联输出端的结构示意图5为PVDF压电悬臂梁的自由端与平面螺旋线圈并联输出端的结构示意图；图6 Ca)为含振动窗ロ的微型复合式能量采集器正面结构示意图；图6 (b)为含振动窗ロ的微型复合式能量采集器背面结构示意图；图7为实施例ニ的エ艺流程图。其中I-PVDF压电悬臂梁；2-平面螺旋线圈；3-PDMS质量块；4 一柔性支架；5—振动窗ロ。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进ー步描述。一种压电及电磁复合式MEMS能量采集器，包括基底、PVDF压电薄膜、平面螺旋线圈2、包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3，以及柔性支架4或振动窗ロ 5，含柔性支架4的微型复合式能量采集器如图I所示。所述PVDF压电薄膜制成悬臂梁结构，其自由端与包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3相连，另一端与柔性支架或振动窗ロ固定。通过PVDF压电悬臂梁I将振动能转化为电能，以及包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3与平面螺旋线圈2之间的电磁感应输出功率，实现压电及电磁复合式能量的输出。PVDF压电悬臂梁I的尺寸设计如下根据弹性力学原理，单端固支梁的弾性系数为k =⑴
AL'式中，E为悬臂梁的杨氏模量，L、W、H分别为悬臂梁的长度、宽度和厚度，如图2所
/Jn ο能量米集器系统的固有频率为/res =2^-⑵式中，m为振动梁和磁性质量块的质量之和。根据Roundy模型，对于给定的负载电阻も，压电悬臂梁的输出功率为
(Y dt b* Y
RlC2p Al_4] p = J__I ^ J _ ⑶
or (4ぐ2 +lr ){RX'.,cof + 4Ck: (R,('Ρο + 4ζ式中，ピ为压电梁几何常量，t。为压电层厚度，Y。为压电材料弹性模量，ε为压电材料介电常数， 为阻尼系数，ω为振动角频率，Cp为压电部分等效电容，Ain为输入振幅，d为压电系数。根据(1)-(3)式，可以确定能量采集器的谐振频率和输出功率，从而设计出采集外界环境不同振动频率、具有不同输出功率的能量采集器，如果采集对象是生物体，只要外加一些处理电路，就可以采集生物体运动能量。实施例I一种压电及电磁复合式MEMS能量采集器，包括基底、PVDF压电薄膜、平面螺旋线圈2、包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3，还包括柔性支架4，即PDMS支撑架，如图I所示。PVDF压电薄膜制成悬臂梁结构，所述基底由表面淀积了ー层SiO2的硅片构成，平面螺旋线圈2电镀于SiO2层之上，柔性支架4也位于SiO2层之上，并位于平面螺旋线圈2的周围。PVDF压电薄膜裁剪成悬臂梁结构，包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3固定于PVDF压电悬臂梁I的自由端，PVDF压 电悬臂梁I的另一端固支于柔性支架4上，如图2所示。PVDF压电悬臂梁I的自由端为输出端，与平面螺旋线圈2输出端可以串联，如图4所示，也可并联，如图5所示，具体情况可视需要而定。当环境中的振动频率与PVDF压电悬臂梁I的固有频率接近或等于时，将会引起PVDF压电悬臂梁I的谐振，PVDF压电悬臂梁I由于压电效应将振动能转化为电能，实现能量的输出；同吋，PVDF压电悬臂梁I自由端的包含磁性纳米颗粒的I3DMS质量块3随着PVDF压电悬臂梁I 一起振动，使得穿过平面螺旋线圈2的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，平面螺旋线圈2会产生感应电动势，从而在外加负载上输出功率。一种压电及电磁复合式MEMS能量采集器制备方法，采用表面为机械加工的方法，即利用电镀エ艺形成平面螺旋线圈，然后再光刻形成固定悬臂梁所用的柔性支架。在对硅片进行常规清洗、处理(见图3 (a))之后，在硅片正面等离子增强化学气相沉积(PECVD) I μπι 的 SiO2 (见图 3 (b))，然后:( I)溅射Ti/Cu种子层采用真空溅射的方法制备200nm的Ti/Cu种子层。在真空环境中50W功率的条件下溅射I个小时，可得到总厚度为200nm的Ti/Cu种子层，如图3 (c)所示。(2)电镀制作平面螺旋线圈2在溅射Ti/Cu种子层之后，甩ー层IOym的正胶AZ P4903，曝光时间70s，显影时间120s，即图3 (d)，然后电镀平面螺旋线圈2，即图3 (e)。平面螺旋线圈2的匝数为15，导线宽度为100 μ m,导线间距为100 μ m，材质为Cu。(3)制作柔性支架(PDMS支撑架)在电镀平面螺旋线圈2之后，再甩ー层IOym的正胶AZ P4903，曝光时间220s，显影时间150s，即图3 (f)，然后在被曝光的光刻胶槽处滴注PDMS，如图3 (g)所示。然后在真空锅中抽真空30分钟以去除PDMS中的气泡，最后放入70°C的烘箱中烘烤2h。取出冷凝，无版曝光、显影后，去除光刻胶、种子层，即可得到PDMS柔性支架4，如图3 (h)所示。(4)制作磁性质量块在液态的PDMS中加入磁性纳米颗粒，PDMS和磁性纳米颗粒的质量比为5:1，然后在真空锅中抽真空30分钟以去除PDMS中的气泡，再用ー强磁场对磁性纳米颗粒进行磁化，最后放入70°C的烘箱中烘烤2h。取出冷凝后手工切割成2cm*2cm的方块，即可获得包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3。(5)粘贴PVDF压电薄膜、磁性质量块、柔性支架构成能量采集器本发明选用的是锦州科信电子材料有限公司生产的100 μπι厚聚偏氟こ烯(PVDF)压电膜。将PVDF压电薄膜裁剪出2cm*5cm的悬臂梁结构，把包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块与PVDF压电悬臂梁I的一端相连，并将PVDF压电悬臂梁I的另一端固定于柔性支架4上。此时，平面螺旋线圈2位于PVDF压电悬臂梁I的下方。压电及电磁复合式MEMS能量采集器就此完成，如图3 (i)所示。
实施例2—种压电及电磁复合式MEMS能量米集器制备方法,米用体娃和表面微机械加工技术相结合的三维微机械加工方法，包括基底、PVDF压电薄膜、平面螺旋线圈2、包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3，还包括振动窗ロ 5，如图6所示。即利用体硅微机械加工技术的方法刻蚀硅，形成PVDF压电悬臂梁的振动窗ロ，并在硅片上通过表面微机械加工的方法制作平面螺旋线圈2。其制作步骤与实施例I大致相同，只不过在制作完成平面螺旋线圈2后，接着采用湿法刻蚀技术制作振动窗ロ 5，而不再制作柔性支架4。步骤(3)为振动窗ロ制作，过程如图7所示，具体为湿法刻蚀SiO2所用的腐蚀剂为缓冲氧化硅腐蚀液，腐蚀液成分为
HF = NH4F:H20=84:339:510(质量比)，刻蚀温度为45°C，腐蚀速率为O. 4ym/min。SiO2的腐蚀为各向同性腐蚀，由于HF酸对SiO2的腐蚀速率远大于对Si的腐蚀，因此在正胶的掩蔽作用下，光刻图形地方的SiO2将被HF酸腐蚀。腐蚀SiO2后，采用KOH溶液(配比KOH H20=44g 100ml)腐蚀Si，刻蚀温度为85°C，腐蚀速率为I. 4μπι/π η，Si的腐蚀为各向异性腐蚀，被HF酸刻蚀的SiO2下方的Si被刻蚀掉，形成PVDF压电悬臂梁的振动窗ロ 5。步骤(4)磁性质量块的制作过程与实施例一相同。最后步骤(5)粘贴PVDF压电薄膜、磁性质量块、硅片构成能量采集器的过程为将PVDF压电薄膜裁剪出2cm*5cm的悬臂梁结构，把包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3与PVDF压电悬臂梁I的一端相连，并将PVDF压电悬臂梁I的另一端固定于硅片背面，PVDF压电悬臂梁I的自由端(即与包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块相连的一端)位于预留的振动窗ロ 5内，此时，平面螺旋线圈2位于PVDF压电悬臂梁I的侧上方。压电及电磁复合式MEMS能量采集器就此完成。以上仅列举本发明的典型实施例，为方便本领域内人员的理解,但本发明并不以此为限。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围以权利要求书为准。
权利要求
1.ー种微型复合式能量采集器，其特征在于，包括基底、PVDF压电悬臂梁、平面螺旋线圈和包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块；所述PDMS质量块固定在PVDF压电悬臂梁的自由端；所述平面螺旋线圈位于PVDF压电悬臂梁的下方或周围，电镀于基底上。
2.如权利要求I所述的微型复合式能量采集器，其特征在于，所述PVDF压电悬臂梁的自由端与平面螺旋线圈的输出端串联或并联。
3.如权利要求I所述的微型复合式能量采集器，其特征在于，所述PVDF压电悬臂梁为薄膜结构。
4.如权利要求I所述的微型复合式能量采集器，其特征在于，还包括柔性支架，位于基底正面之上，与PVDF压电悬臂梁的另一端固接。
5.如权利要求I所述的微型复合式能量采集器，其特征在于，还包括一振动窗ロ，位于基底之上、PVDF压电悬臂梁的外国，PVDF压电悬臂梁的另一端固接于基底背面。
6.如权利要求I所述的微型复合式能量采集器，其特征在于，PDMS质量块中PDMS与磁性纳米颗粒的质量比为5:1或10:1，与压电悬臂梁同宽。
7.—种微型复合式能量采集器的制备方法，包括如下步骤 Ca)处理、清洗硅片，在硅片正面等离子增强化学气相沉积SiO2 ； (b)真空溅射种子层； (c)甩正胶、第一次光刻，电镀平面螺旋线圈； Cd)甩正胶、第二次光刻，滴注PDMS支撑架； Ce)曝光、显影，去掉光刻胶、去除种子层； (f )将PVDF压电薄膜裁剪成悬臂梁结构，并将包含有磁性纳米颗粒的PDMS质量块粘贴至IJ PVDF压电悬臂梁的一端； (g)将PVDF压电悬臂梁的另一端粘贴到PDMS支撑架上，平面螺旋线圈位于PVDF压电悬臂梁下方。
8.—种微型复合式能量采集器的制备方法，包括如下步骤 Ca)处理、清洗硅片，在硅片正面等离子增强化学气相沉积SiO2 ； (b)真空溅射种子层； (c)甩正胶、第一次光刻，电镀平面螺旋线圈； (d)采用湿法刻蚀技术制作振动窗ロ； Ce)曝光、显影，去掉光刻胶、去除种子层； (f )将PVDF压电薄膜裁剪成悬臂梁结构，并将包含有磁性纳米颗粒的PDMS质量块粘贴到PVDF压电悬臂梁的一端，作为自由端； (g)将PVDF压电悬臂梁的自由端位于振动窗口内，将PVDF压电悬臂梁的另一端固定于硅片背面，平面螺旋线圈位于PVDF压电悬臂梁周围。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述包含有磁性纳米颗粒的PDMS质量块的制作步骤为 Ca)在液态PDMS中加入磁性纳米颗粒； (b )抽真空，去除PDMS中的气泡； (c)加强磁场对磁性纳米颗粒进行磁化； (d)烘烤、冷凝后切割成块。
全文摘要
本发明提供一种基于PVDF的微型复合式能量采集器及制备方法，利用柔性聚合物压电材料PVDF制备成悬臂梁结构，通过PVDF压电悬臂梁发生谐振，利用压电效应将振动能转化为电能；同时，与之固接的包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块随着PVDF压电悬臂梁的振动也一起振动，使穿过电镀在基底上的平面螺旋线圈的磁通量发生变化，产生感应电动势，从而在外加负载上输出功率。本发明的复合式能量采集器采用聚合物压电材料PVDF来代替传统压电材料PZT，并通过压电式和电磁式两种方式进行能量采集，使得能量采集器的输出功率及效率可以显著提高，并且与生物兼容。
文档编号B81C1/00GK102868318SQ20121032605
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月5日 优先权日2012年9月5日
发明者张海霞, 贾若溪, 袁泉, 韩梦迪 申请人:北京大学