一种面向低强度振源的双稳态MEMS振动能量采集器

本发明涉及微尺度下低强度环境振动能量采集，具体涉及一种面向低强度振源的双稳态mems振动能量采集器。

背景技术：

1、微型振动能量采集将环境中的机械振动能量通过特定机制转化为电能以驱动低功耗传感器节点工作，从而实现自供能传感，在工业生产以及健康监测等领域有广泛应用前景。其中，电磁式以其输出阻抗低、输出功率高以及能在恶劣工况下稳定工作等特点受到了较多的关注。

2、目前微机电（micro-electro-mechanicalsystems，mems）振动能量采集器存在工作频宽窄、工作频段高以及微尺度下机电能量转换效率较低等显著问题。现有研究普遍运用双稳态结构大幅值、高速率运动拓宽器件工作频宽，同时提升器件输出功率，但忽略了降低工作频段这一重要问题，导致难以收集分布在100 hz以内的低强度振源能量。此外，相关分析并未从能量传递全路径兼顾工作频宽、工作频段以及机电能量转换效率的全面提升，而且如何在全面提升器件性能的基础上，实现机械拾振结构与机电能量转换装置的一体化集成制造，已成为制约其工程化应用亟待解决的关键问题。经过对现有技术文献检索发现，李昕欢等人提出的发明专利《一种集成于硅基片上的电磁式振动能量采集器及制备方法》，通过硅基集成制造工艺实现了一种mems电磁振动能量采集器，该发明专利通过集成制造工艺实现了三维螺线管的微型化，并且通过在螺线管内部设置可动永磁体实现环境振动能量收集，为mems电磁振动能量采集微型化提供了参考，但是仍然存在以下不足：

3、（1）振动能量拾取：以上方案内部可动永磁体无法通过机械弹簧实现双稳态受迫振动，因此难以基于以上方案运用双稳态结构实现对低频段、低强度的环境振动能量的有效收集；

4、（2）机电能量转换：以上方案通过硅基集成制造工艺实现了三维螺线管的微型化，但螺线管内部并未集成导磁磁路，且目前所提出的磁路普遍存在较大气隙磁阻，导致难以提升微尺度下磁通量利用效率；

5、（3）一体化集成制造：由于双稳态振动结构复杂、螺线管与导磁体材料多元，因此难以运用集成制造实现振动结构与螺线管的一体化大规模集成制造，限制了其与mems传感器的兼容制造。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种面向低强度振源的双稳态mems振动能量采集器，可以充分运用双稳态运动与高导磁率材料导磁特性叠加效果，以同时解决微尺度下拓宽器件工作频宽、降低工作频段、提升输出功率密度的多重要求，同时可以实现双稳态结构与集成高导磁率材料的微型螺线管的一体化集成制造，从而提升微型振动能量采集器在低强度振源下能量收集与转换效率。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种面向低强度振源的双稳态mems振动能量采集器，包括微型螺线管、导磁磁路、永磁对、平面非线性弹簧、软磁磁轭对、绝缘填充层、绝缘衬底；其中，

3、所述绝缘衬底、所述绝缘填充层设有贯通通孔，所述平面非线性弹簧设于所述贯通通孔处，所述永磁对固定在所述平面非线性弹簧中央可动处，所述软磁磁轭对设于所述永磁对两侧以形成复合机械非线性与磁力非线性的双稳态可动磁极，所述双稳态可动磁极可在所述贯通通孔内上下运动；

4、所述微型螺线管固定在所述绝缘衬底表面，所述导磁磁路设于所述微型螺线管内部，并采用所述绝缘填充层对所述导磁磁路与所述微型螺线管进行绝缘填充，以形成机电能量转换装置；

5、在低强度环境振源激励下，所述双稳态可动磁极可在所述贯通通孔内上下运动，所述双稳态可动磁极的磁通经过所述软磁磁轭对进入所述导磁磁路，所述磁通沿着所述导磁磁路从所述微型螺线管内部通过，最后经过所述软磁磁轭对回到所述双稳态可动磁极，以形成闭合磁路，实现磁通量高利用效率；

6、通过所述双稳态可动磁极与所述机电能量转换装置的相对运动，实现所述微型螺线管内部磁通量的相对变化，从而将振源机械振动能量转化为电能。

7、优选的，平面非线性弹簧由非线性弹簧与中央可动构成；所述永磁对由上部永磁体、下部永磁体、上部绝缘垫片、下部绝缘垫片组成；所述软磁磁轭对包括第一软磁磁轭、第二软磁磁轭；其中，

8、所述上部绝缘垫片、所述下部绝缘垫片分别设置在所述上部永磁体与所述中央可动平台上表面之间，以及所述下部永磁体与所述中央可动平台下表面之间；

9、所述第一软磁磁轭与第二软磁磁轭分别设于所述上部永磁体、下部永磁体的两侧；

10、所述上部永磁体与所述下部永磁体充磁方向相反，且所述充磁方向与所述软磁磁轭对端面法线方向平行；

11、所述上部永磁体、所述下部永磁体、所述上部绝缘垫片、所述下部绝缘垫片以及所述平面非线性弹簧中央可动平台位于同一中轴线；

12、所述第一软磁磁轭、所述第二软磁磁轭中性面与与所述永磁对中性面处于同一平面。

13、优选的，所述平面非线性弹簧的非线性弹簧按顺时针或逆时针等角度设置在所述中央可动平台四周；

14、优选的，所述非线性弹簧具有几何非线性特性，所述几何非线性特性的形状包括：固定-导向形以及固定-固定形等。

15、优选的，通过控制材料沉积时间，可以调节所述非线性弹簧厚度，同时通过调节掩模版尺寸，可以调节所述非线性弹簧长度与宽度，以设计所述机械非线性。

16、优选的，通过控制所述软磁磁轭对尺寸、所述绝缘垫片厚度以及所述软磁磁轭对与所述永磁对间距，可以调整所述双稳态可动磁极的磁力非线性特性；其中，通过控制材料沉积时间，可以调节所述软磁磁轭对厚度；通过调节所述掩模版尺寸，可以调节所述软磁磁轭对长度、宽度，以及所述软磁磁轭对与所述永磁对的间距，从而设计所述磁力非线性以及所述机电能量转换装置的机电能量转换效率；

17、优选的，通过调节所述机械非线性与所述磁力非线性特性，可以调整所述双稳态可动磁极频谱特性，以形成低频段、宽频域以及大振幅的频谱特性，从而实现对低强度振动能量的拾取。

18、优选的，所述微型螺线管、所述导磁磁路与所述绝缘填充层形成机电能量转换装置，其中，所述导磁磁路包含被所述微型螺线管缠绕的主体部分，以及自所述主体部分延伸出与所述永磁对相对的第一导磁磁路延伸部、第二导磁磁路延伸部，且所述第一软磁磁轭、所述第二软磁磁轭分别设置在所述第一导磁磁路延伸部、所述第二导磁磁路延伸部表面，用以与所述永磁对形成磁力非线性，同时聚集并引导所述双稳态可动磁极的磁通从所述微型螺线管内部通过；

19、优选的，所述第一导磁磁路延伸部与所述第二导磁磁路延伸部端面间的间距可以容纳所述双稳态可动磁极上下运动；

20、优选的，所述微型螺线管的单匝线圈由底部导线、导电柱以及顶部导线组成，并且按照螺旋渐开方式构成，其中，所述底部导线与所述顶部导线间距大于所述导磁磁路厚度，且所述底部导线与所述顶部导线长度大于所述导磁磁路宽度，以避免所述微型螺线管与所述导磁磁路接触造成短路。

21、优选的，一种面向低强度振源的双稳态mems振动能量采集器可以基于表面微加工技术实现所述平面非线性弹簧、所述微型螺线管、所述导磁磁路以及所述软磁磁轭对的集成制造；其中，

22、所述平面非线性弹簧制备方法包括如下步骤：

23、（1）去除所述绝缘衬底表面杂质，并在所述绝缘沉底表面沉积合金种子层；

24、（2）在步骤（1）所述合金种子层表面旋涂光刻胶，并依次进行光刻和显影，形成所述非线性弹簧图案，并运用微电铸工艺制备所述非线性弹簧结构；

25、（3）在步骤（2）所述器件表面旋涂光刻胶，并依次进行光刻和显影，形成所述平面非线性弹簧的固定端与中央可动平台图案，并运用微电铸工艺加厚所述固定端与所述中央可动平台；

26、（4）在所述绝缘衬底背面旋涂光刻胶，并依次进行光刻和显影，形成容纳双稳态可动磁极上下运动的所述贯通通孔图案，并运用刻蚀工艺形成所述贯通通孔。

27、所述微型螺线管、所述导磁磁路以及所述软磁磁轭对制备方法包括如下步骤：

28、（a）在所述绝缘衬底表面沉积合金种子层；

29、（b）在步骤（a）所述合金种子层表面旋涂光刻胶，并依次进行光刻、显影以及微电铸工艺，以形成所述微型螺线管的底部导线结构；

30、（c）在步骤（b）所述器件表面旋涂光刻胶，并依次进行光刻、显影以及微电铸工艺，以形成所述微型螺线管的导电柱结构；

31、（d）运用溶液依次去除上述器件表面光刻胶以及合金种子层，并旋涂所述绝缘填充层材料，接着依次进行烘干、光刻以及显影；对所述绝缘填充层进行研磨与抛光，以露出所述微型螺线管的导电柱上表面；

32、（e）在步骤（d）所述绝缘填充层表面沉积合金种子层，并旋涂光刻胶，接着依次进行光刻、显影以及微电铸工艺，以形成所述导磁磁路结构；

33、（f）在步骤（e）所述器件表面旋涂光刻胶，并依次进行光刻、显影以及微电铸工艺，以继续加厚所述微型螺线管的导电柱，并确保所述微型螺线管的导电柱表面高于所述导磁磁路上表面；

34、（g）运用溶液依次去除上述器件表面光刻胶以及合金种子层，并旋涂所述绝缘填充层材料，接着依次进行烘干、光刻以及显影；对所述绝缘填充层进行研磨与抛光，以露出所述微型螺线管的导电柱上表面；

35、（h）在步骤（g）所述器件表面沉积合金种子层，并旋涂光刻胶，接着依次进行光刻、显影以及微电铸工艺，以形成所述微型螺线管的顶部导线结构；

36、（i）在步骤（h）所述器件表面旋涂光刻胶，接着依次进行光刻、显影以及微电铸工艺，以对所述微型螺线管的电极进行加厚；

37、（j）在所述器件表面旋涂正性光刻胶，接着依次进行光刻、显影以及微电铸工艺，以形成所述软磁磁轭对结构；

38、（k）运用溶液依次去除上述器件表面光刻胶以及合金种子层，并旋涂所述绝缘填充层材料，接着依次进行烘干、光刻以及显影；对所述绝缘填充层进行研磨与抛光以露出所述微型螺线管电极。

39、优选的，通过设计掩模版尺寸，可以调节所述微型螺线管的相邻导电柱的间距，从而调节所述微型螺线管匝数；通过控制材料沉积时间，可以调节所述导电柱高度以及所述导磁磁路厚度。

40、优选的，所述永磁体、所述软磁磁轭对、所述绝缘垫片均为立方体结构。

41、优选的，所述合金种子层材料包括，铬铜合金、铬金合金等。

42、优选的，所述绝缘垫片、所述绝缘填充层材料包括，负性光刻胶、聚酰亚胺等绝缘、柔性材料等。

43、优选的，所述软磁磁轭、所述导磁磁路材料包括，金属镍、坡莫合金等高导磁率材料。

44、优选的，所述平面非线性弹簧材料包括，金属镍、金属铜等。

45、优选的，所述微型螺线管材料包括，金属铜、金属金等。

46、优选的，所述永磁体采用钕铁硼、钐钴等材料制备得到。

47、优选的，所述面向低强度振源的双稳态mems振动能量采集器，还包括如下任意一项或任意多项：

48、所述双稳态可动磁极从中间位置向上位运动时，所述双稳态可动磁极的下部永磁体位于所述第一软磁磁轭与所述第二软磁磁轭之间，所述下部永磁体的磁通以顺时针或逆时针方向依次经过所述第一软磁磁轭、所述导磁磁路以及所述第二软磁磁轭回到所述下部永磁体；

49、所述双稳态可动磁极从中间位置向下位运动时，所述上部永磁体位于所述第一软磁磁轭与所述第二软磁磁轭之间，所述上部永磁体的磁通以逆时针或顺逆时针方向经过所述第二软磁磁轭、所述导磁磁路以及所述第一软磁磁轭回到所述上部永磁体；

50、通过所述双稳态可动磁极上下运动，实现所述微型螺线管内磁通方向的反转，从而增加磁通量变化率；同时，通过所述第一软磁磁轭与所述第二软磁磁轭聚集并引导所述双稳态可动永磁对的磁通从所述微型螺线管内部通过，从而增强所述微型螺线管内部磁通密度，以提高输出功率密度。

51、相对于现有技术，本发明的有益效果为：

52、首先，相比于现有mems电磁振动能量采集器在平面微型线圈中集成高导磁率导磁体，存在气隙磁阻极大、线圈绕组难以显著提升的问题，本发明基于集成制造方法在微型螺线管内部集成高导磁率导磁磁路，以同时实现线圈绕组显著提升、感应线圈内部磁通密度显著增强；进一步，本发明运用双稳态可动磁极上下运动过程中形成的微型螺线管内磁通方向180°反转，以显著提升磁通量变化率，以上方案保证了在低强度振源下的机电能量高效率转化；

53、其次，相比于现有采用线性弹簧与磁力非线性设计的双稳态结构仅能调节势垒深度，导致无法同时实现拓宽工作频宽、降低工作频段的问题，本发明将具有几何非线性的弹簧引入磁力非线性耦合的双稳态结构，以形成复合机械非线性与磁力非线性的双稳态振荡结构，可以设计双稳态系统势垒特性，以提升双稳态振动能量采集频谱设计范围，从而同时实现降低工作频段、拓宽工作频宽以及提高功率输出的多重要求；

54、最后，相比于现有双稳态电磁振动能量采集器普遍采用复杂三维结构，存在难以微型化的问题，本发明通过采用平面架构确保了可以通过表面微加工技术实现双稳态可动磁极与微型螺线管的集成制造，能够充分发挥光刻、微电铸等方法对所提出的双稳态mems振动能量采集器的机械结构、导磁磁路以及微型线圈等关键参数的设计与调整，保证了在微尺度下对低强度振源的高效收集。