一种机械压电振动能量采集装置的制作方法

1.本实用新型涉及压电型振动感应能量收集技术领域。


背景技术：

2.无线传感器网络为从建筑物监控到医学植入物应用的广泛使用领域提供了有希望的解决方案。无线传感器在广泛使用成本节约、安装简单、远程控制等方面具有优势。然而，与无线网络概念相关的问题在于确定如何向非接触嵌入式传感器供电。
3.目前，可以采用电池向远程设备提供电力，但是这样的解决方案受到电源寿命的限制。此外，传感器节点往往倾向于便携和多功能集成，因此，有限的功率问题、小尺寸和集成能力在有希望的无线传感器网络的有效实现之前带来了额外的问题。
4.因此，需要从环境中清除能量、消除对电池的需要和无限延长设备的工作寿命的解决方案。随着小型化无线传感器的低占空比，低功率vls i设计的进步，已将功率要求降低到微瓦级。在这样的消耗范围内，由能量收集提供的电力是一种可行的替代方案。与微域系统一起使用的可能的能源包括太阳能、热能、机械，人体和风能。
5.随着mems技术的进步，目前，可以实现自供电系统以及用作机电换能器的mems设备，其中通过采用低功率数字控制技术来控制转换，同时将整个系统保持在小尺寸封装中。因此，需要一种提供改进的电源的系统、设备或方法，其克服了至少一些先前系统或方法的限制。


技术实现要素：

6.本实用新型为了满足无线、非接触和潜在可植入系统电源需求，设计一种基于mems的压电型振动感应能量收集装置，为了消除对电池的需要，从周围环境电源获取能量。
7.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种机械压电振动能量采集装置，微机械压电发电机设有介电框架，所述介电框架上固定向有其中心延伸的压电面板，所述压电面板的外端固接有端部质量块，所述压电面板的表面贴附有一层压电层，所述压电层的两面分别设有电极，两个所述电极连接介电框架上的下焊盘和上焊盘。
8.所述下焊盘和上焊盘用于连接储能设备，或者用电设备的电源端。
9.所述介电框架和压电面板均由单晶硅构成n形结构的主体，所述单晶硅底面贴附有介电层，所述压电面板为单晶硅上表面侧向伸出的结构。
10.所述介电框架和压电面板为一体结构，所述压电面板为双抛光单晶硅晶片。
11.所述压电面板的厚度为480-520微米，电阻率大于10欧姆/厘米。
12.所述电极由pt、t i、au或cr金属层构成。
13.所述压电层为二氧化硅或氮化硅层结构。
14.本实用新型通过使用mems技术实现自供电，该自供电系统可以与工作装置位于同一芯片上，同时将整个系统保持在小尺寸的形状内，mems的压电式振动感应能量收集装置能够满足分布式无线传感器网络的供电要求。
附图说明
15.下面对本实用新型说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
16.图1为机械压电振动能量采集装置结构示意图；
17.上述图中的标记均为：100、微机械压电发电机；110、介电框架；115、压电层；125、压电面板；130、端部质量块；135、下焊盘；140、上焊盘。
具体实施方式
18.下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
19.为了满足未来对无线、非接触和潜在可植入系统电源需求，本实用新型设计了一种基于mems的压电型振动感应能量收集装置。为了消除对电池的需要，从周围环境电源获取能量是一种有希望的解决方案。低功率vls i设计的进步以及小型化无线传感器的低占空比，已将功率要求降低到微瓦范围内，因此能量收集提供的功率可能是一种可行的替代方案。
20.振动无处不在，本实用新型从压电、磁、静电三种振动-电转换方法中选择它作为精确电能的优选电源。第一个被认为是关于合适的电压电平和制造便利性的最佳解决方案。通过使用mems技术的进步，包括能量收集和功率管理在内的自供电系统可以与工作装置位于同一芯片上，同时将整个系统保持在小尺寸的形状内。因此，基于mems的压电式振动感应能量收集装置被描述为满足分布式无线传感器网络要求的最佳电源。
21.具体来说，是一种压电发电装置，包括在其上松散地支撑压电面板125的介电框架110。压电面板125包括电极、形成在电极和介电层上的压电层115以及形成在压电层115上的端部质量块130。端部质量块130提供重量，以使压电面板125在框架内移动(振动)并产生电能。
22.微机械压电发电机100包括介电框架110松散地支撑集成压电面板125，压电面板125由介电材料组成，并包括电极和可以形成在电极之上的压电层115，端部质量块130提供足够的重量使压电面板125在整体框架内移动(振动)。压电面板125在框架内的移动导致产生电能，该电能可用于为诸如传感器的微电子系统供电。产生的电力从与下焊盘135和上焊盘140的连接中获取，下电极焊盘和上电极焊盘包括铂，钛和铬中的至少一种，下电极焊盘和上电极焊盘包括100nm至400nm范围内的厚度。压电面板125的位置在电极焊盘和上电极焊盘之间，压电面板125为硅晶片，压电面板125上的端部质量块130，该端部质量块130提供重量以使压电面板125在介电框架110内移动并产生电力。通过振动，微型电源以等于或小于1000hz的低频振动提取能力工作。
23.电极由pt/t i或au/cr等多层金属构成，诸如pzt的压电层115，底部电极，其使用与顶部电极相同的材料或其他金属材料和介电层作为支撑功能的材料。在悬臂的自由末端，有一个端部质量块130，由金属或其它合适的压载材料制成。如图1所示的接触垫，相应地连接到上电极和下电极，上电极和下电极也是到外部负载(例如整流器、调节器、任何电源管理系统)和负载(例如传感器和执行器)的电源输出接口。在悬臂的下方形成空隙，同时
大量去除介电层，以使悬臂在振动时能顺利地移动。
24.当受到环境振动(例如旋转机械振动)的激励时，悬臂被迫在框架的空间内沿z方向振动。通过压电效应，悬臂的这种运动在底部电极和顶部电极中产生电荷，从而通过焊盘向外部负载产生电力。如果受迫振动频率与能量收集装置的固有频率匹配，则将发生最大尖端位移，触发压电层115中的最大应变，从而产生最大功率。端部质量块130的功能是既能提高振动幅度又能调谐固有频率。
25.本实用新型发电机的独特之处在于其微尺寸(特征尺寸可达几毫米)与低频(薄膜压电层115的厚度最好为0.5微米至10微米)相结合。可以排列单个压电层115以实现更广泛的频率提取和增强功率输出。上述发电机的独特之处在于其微尺寸(特征尺寸可达几毫米)与低频(薄膜压电层115的厚度最好为0.5微米至10微米)相结合。可以排列单个压电层115以实现更广泛的频率提取和增强功率输出。
26.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。