專利名稱：一種寬頻帶低頻微型壓電振動能采集系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于可再生能源領域，特別涉及到將環(huán)境振動能轉(zhuǎn)換為電能的微能源技術。
背景技術：
微型振動能采集器利用微結構的受迫振動將環(huán)境振動能轉(zhuǎn)換為微結構振動能，進一步利用電磁感應、壓電效應或靜電效應等將微結構振動能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)對負載或儲能器的供電，具有尺寸小、壽命長、易集成等諸多優(yōu)點，是無線傳感網(wǎng)絡和微小型自治式微系統(tǒng)迫切需要的理想電源，也是當前國際上微能源研究的熱點。根據(jù)振動理論可知，當振動能采集器固有頻率與環(huán)境振動頻率十分接近時，采集器的振動部分將產(chǎn)生共振，此時采集器有較大功率輸出，而一旦環(huán)境振動頻率偏離采集器固有頻率，采集器輸出功率急劇降低。為了將更多的環(huán)境振動能轉(zhuǎn)換為電能，振動能采集器的固有頻率必須與環(huán)境振動頻率匹配；為了獲取較寬頻帶的環(huán)境振動能，微型振動能采集器必須具有較寬的頻帶范圍。據(jù)統(tǒng)計，常見環(huán)境中的振動能主要集中于IOOHz以下，但國內(nèi)外目前基于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術研制的微型振動能采集器的固有頻率大多在 IOOHz以上，而且其頻帶寬度窄，將寬頻帶環(huán)境振動能轉(zhuǎn)換為電能的效率低，難以滿足無線傳感節(jié)點等實際應用對象的用電需求。由以上分析可知，常規(guī)微型振動能采集器固有頻率高、頻帶窄，難以滿足無線傳感網(wǎng)絡等的應用對象的需求，開展寬頻帶低頻微型振動能采集器研究具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種可以高效獲取較寬頻帶的環(huán)境低頻振動能，并將其轉(zhuǎn)換為電能的微型振動能采集系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取以下技術方案
一種寬頻帶低頻微型壓電振動能采集系統(tǒng)，由微型壓電振動能采集器、底座和滾珠構成。兩個微型壓電振動能采集器平行放置并通過固支點固定于底座的兩側(cè)，底座上設置圓柱形通孔，通孔內(nèi)放置滾珠，通孔位于兩個微型壓電振動能采集器的振動梁之間，其中通孔兩端開口距離振動能采集器的振動梁的距離小于滾珠的直徑。在環(huán)境振動作用下，滾珠在通孔內(nèi)滾動，當滾珠的一部分滾出通孔與一個振動能采集器碰撞后，導致該采集器振動，而滾珠則被彈回孔內(nèi)滾向另一個采集器，與另一個采集器碰撞后將導致這個采集器振動，兩個采集器的振動將導致其梁上的壓電層內(nèi)的應力交替變化，由于壓電效應，在壓電層的兩個電極之間將產(chǎn)生電勢差，利用該電勢差就可以為負載供電。所述微型壓電振動能采集器可以采用單端有固支點的懸臂梁微型壓電振動能采集器，或采用兩端有固支點的微型壓電振動能采集器，微型壓電振動能采集器均具有帶壓電層的振動梁。本發(fā)明提出的寬頻帶低頻微型壓電振動能采集系統(tǒng)，其利用環(huán)境振動引起的滾珠的滾動，利用滾珠與微型壓電振動能采集器的梁碰撞導致采集器的振動，進一步利用壓電效應將采集器的振動能轉(zhuǎn)換為電能。由于滾珠與采集器的碰撞頻率可以遠小于采集器的固有頻率，因此利用該方法可以較高效地獲取遠低于采集器固有頻率的環(huán)境振動能；另外，由于較寬頻帶的環(huán)境振動均可以導致滾珠與采集器碰撞，因此該采集系統(tǒng)具有較寬的頻帶。本發(fā)明具有以下特點
1、本發(fā)明提出的利用滾珠與微型振動能采集器的梁碰撞導致的采集器振動發(fā)電，可以高效獲取遠低于采集器固有頻率的環(huán)境振動能。2、本發(fā)明提出的微型壓電振動能采集系統(tǒng)，在較寬頻帶的環(huán)境振動作用下均可以導致滾珠與采集器碰撞，因此可以將較寬頻帶的環(huán)境振動能轉(zhuǎn)換為電能。3、本發(fā)明提出的利用滾珠與微型振動能采集器的碰撞發(fā)電的方法，具有極大的技術輻射性，不僅可用于微型壓電振動能采集器，也可以應用于微型電磁振動能采集器和微型靜電振動能采集器等，可以有效地降低其工作頻率和擴大其頻帶寬度。4、本發(fā)明提出的寬頻帶低頻微型壓電振動能采集系統(tǒng)具有工作頻率低、工作頻帶寬等顯著優(yōu)點，特別適合于為無線傳感節(jié)點和便攜式電子產(chǎn)品等供電?？梢?，本采集系統(tǒng)具有固有頻率低、頻帶寬、結構簡單等優(yōu)點，在無線傳感、便攜式電子產(chǎn)品、等領域均具有廣闊應用前景。


圖1是在SOI襯底上生長的二氧化硅示意圖； 圖2是刻蝕SOI襯底上層單晶硅的示意圖3是熱氧化的二氧化硅示意圖； 圖4是采用剝離工藝制備的金屬電極示意圖； 圖5是制備的壓電膜示意圖； 圖6是采用剝離工藝制備的金屬電極示意圖； 圖7是在SOI基片背面第一層光刻膠示意圖； 圖8是在SOI基片背面第二層光刻膠示意圖； 圖9是釋放后的微型壓電振動能采集器示意圖； 圖10是底座的正視圖11是基于懸臂梁微型壓電振動能采集器的寬頻帶低頻微型壓電振動能采集系統(tǒng)俯視圖12是基于兩端固支微型壓電振動能采集器的寬頻帶低頻微型壓電振動能采集系統(tǒng)俯視圖。
具體實施例方式下面結合實施例進一步對本發(fā)明進行說明。參見圖11，寬頻帶低頻微型壓電振動能采集系統(tǒng)由兩個懸臂梁微型壓電振動能采集器15、16、一個底座12和一個滾珠14構成。微型壓電振動能采集器的振動梁為帶壓電層的梁。底座12采用精密加工技術制作，其正視圖見圖10，該底座上包含一個圓柱形通孔13。選取球形滾珠14 一個，其直徑小于底座上圓柱形通孔13的直徑，以便滾珠可以在通孔內(nèi)滾動，將滾珠14放置于底座的圓柱形通孔13內(nèi)。將采集器15通過其一端的固支點固定于底座12的一側(cè)，使其振動梁位于通孔13 —側(cè)，其中采集器15的振動梁與圓柱通形孔13 之間的距離小于滾珠14直徑，以確保在滾珠與采集器碰撞過程中不會滾出通孔。將另一采集器16對稱固定于底座的另一側(cè)，與前一采集器15平行，其振動梁與圓柱形通孔13之間的距離同樣小于滾珠14直徑。也可以采用兩個兩端都有固支點的微型壓電振動能采集器構成圖12所示的寬頻帶低頻微型壓電振動能采集系統(tǒng)，兩個平行放置的兩端都有固支點的微型壓電振動能采集器17和18通過固支端對稱固定于底座12兩側(cè)，底座12上的圓柱形通孔13位于兩個微型壓電振動能采集器17和18之間，滾珠14位于圓柱形通孔內(nèi)，滾珠14的直徑小于圓柱形通孔13的直徑，通孔開口處距離兩個振動能采集器的距離小于滾珠的直徑。以上寬頻帶低頻
對于上述兩個寬頻帶低頻微型壓電振動能采集系統(tǒng)，環(huán)境振動將導致滾珠14在底座 12的通孔13內(nèi)滾動，當滾珠14的一部分滾出通孔與振動能采集器15或17碰撞后，將導致采集器15或17振動，而滾珠14則被彈回孔內(nèi)滾向采集器16或18，與采集器16或18碰撞后將導致采集器16或18振動，兩個采集器15和16或17和18的振動將導致其上的壓電層內(nèi)的應力交替變化，由于壓電效應，在壓電層的兩個電極之間將產(chǎn)生電勢差，利用該電勢差就可以為負載供電。由于滾珠與采集器的碰撞頻率可以遠小于采集器的固有頻率，因此利用該方法可以較高效地獲取遠低于采集器固有頻率的環(huán)境振動能。另外，由于較寬頻帶的環(huán)境振動均可以導致滾珠與采集器碰撞，因此該采集系統(tǒng)具有較寬的頻帶。以上結構中采用的微型壓電振動能采集器可以采用硅基微加工技術進行制作。為了避免滾珠與采集器碰撞時對采集器造成損害，需要增加采集器與滾珠碰撞區(qū)域的厚度。 例如懸臂梁微型壓電振動能采集器可以采用以下工藝流程進行制作
1、選取雙面拋光的SOI基片為襯底，該SOI基片由厚度約450-500Mffl的第一單晶硅層 1、厚度約IMffl的第一 SiO2層2和厚度約10 - 60Mffl的第二單晶硅層3組成，通過熱氧化生長約200nm的第二 SiO2層，襯底正面涂光刻膠，正面第1次光刻，以光刻膠為掩膜，采用BHF 刻蝕第二 SiO2層，去除光刻膠，形成SiO2層圖形4，如圖1所示。2、以SiO2層圖形4為掩膜，采用感應耦合等離子刻蝕或采用KOH腐蝕第二單晶硅層3，去除第二 SiO2層圖形4，得到圖2所示的結構。3、在第二單晶硅層3上面采用熱氧化或化學氣相淀積的方法生長約200nm的第三 SiO2層5，如圖3所示。4、在襯底正面涂光刻膠，正面第2次光刻，采用剝離法和濺射法在第三SiO2層5上生長約150nm的下金屬電極(Ti/Pt) 6，如圖4所示。5、采用溶膠一凝膠法在下金屬電極(Ti/Pt) 6上生長厚度I-IOMffl的鈦鋯酸鉛 (PZT)壓電膜，襯底正面涂光刻膠，正面第3次光刻，并通過反應離子刻蝕(RIE)對PZT膜進行圖形化，形成壓電層圖形7，如圖5所示。6、在襯底正面涂光刻膠，正面第4次光刻，采用剝離法和濺射法在壓電層圖形7上生長約150nm的上金屬電極(Ti/Pt) 8，如圖6所示。7、采用反應離子工藝去除襯底背面的SiO2層，在SOI基片的背面涂光刻膠，背面第1次光刻，形成光刻膠圖形9，其中在采集器與滾珠碰撞需要加厚處沒有光刻膠，如圖7所不。8、在SOI基片的背面涂光刻膠，背面第2次光刻，形成光刻膠圖形10，其中在采集器與滾珠碰撞處保留光刻膠，如圖8所示。9、以光刻膠為掩膜，采用感應耦合等離子刻蝕從SOI基片的背面刻蝕第一單晶硅層1，當光刻膠圖形10被刻完后繼續(xù)刻蝕，此時采集器與滾珠碰撞處的單晶硅將被刻蝕，一直刻蝕到正面的第一 SiO2層2時停止刻蝕，去除光刻膠，利用HF溶液去除SiO2，釋放結構。 由于采集器與滾珠碰撞處沒有光刻膠圖形9保護，因此其厚度稍小于單晶硅層1的厚度。10、采用直流電壓對PZT層進行極化，將PZT膜極化為壓電膜。最后得到微型壓電振動能采集器11，如圖9所示。另外，壓電層也可以不用PZT材料，而改用PVDF、ZnO、AlN等，壓電層的生長也可以采用濺射、MOCVD等方法。為了進一步驗證本發(fā)明提出的微型壓電振動能采集系統(tǒng)可以采集環(huán)境中較寬頻帶的低頻振動能，本申請人制作以下結構尺寸的微型壓電振動能采集系統(tǒng)。兩個懸臂梁微型壓電振動能采集器的含壓電層的懸臂梁的長度均為27mm，寬度為6. 4mm，懸臂梁包括三層，其中上、下層是兩個極化方向相反壓電層，均為139 μ m厚的PZT壓電層，中間層為厚度為102 μ m的銅層；底座長度為33mm，寬度13mm，高度14mm，底座上的通孔的直徑為8. 4mm ； 不銹鋼滾珠的直徑為8mm;安裝完成后，底座通孔開口處與相鄰的含壓電層的懸臂梁的距離約1mm，可確保滾珠在滾動過程中不會滾出通孔，而且含壓電層的懸臂梁自由端在與滾珠碰撞后有Imm以上的自由振動空間。首先對懸臂梁微型壓電振動能采集器自身的動力特性進行了測試，測試結果表明，懸臂梁微型壓電振動能采集器的一階固有頻率約264Hz。然后將以上微型壓電振動能采集系統(tǒng)置于振動臺上進行了實驗，其中通孔與水平方向平行，在平行于通孔的lOm/s2加速度作用下，對懸臂梁微型壓電振動能采集器的輸出特性進行了測試，測試結果表明，當環(huán)境加速度激勵的頻率由IOHz逐漸增加到23Hz時，一個懸臂梁微型壓電振動能采集器對IOOkQ電阻負載的輸出功率由193 μ W逐步增加到602 μ W，因此該微型壓電振動能采集系統(tǒng)可以高效獲取環(huán)境中IOHz到23Hz的低頻振動能，其帶寬遠大于常規(guī)的微型壓電振動能采集器。以上實驗表明，本方明提出的微型壓電振動能采集系統(tǒng)可以高效獲取遠低于采集器固有頻率的環(huán)境低頻振動能，其工作頻帶較寬，特別適合于獲取環(huán)境中較寬頻帶的低頻振動能。
權利要求
1.一種寬頻帶低頻微型壓電振動能采集系統(tǒng)，由微型壓電振動能采集器、底座和滾珠構成；其特征在于所述微型壓電振動能采集器有兩個，均具有帶壓電層的振動梁；兩個微型壓電振動能采集器通過固支點平行固定于底座兩側(cè)，底座上設置通孔，孔內(nèi)放置滾珠，通孔位于兩個微型壓電振動能采集器的振動梁之間，通孔兩端開口距離振動梁的距離小于滾珠的直徑；在環(huán)境振動作用下，滾珠在通孔內(nèi)滾動，當滾珠的一部分滾出通孔與一個振動能采集器碰撞后，導致該采集器振動，而滾珠則被彈回孔內(nèi)滾向另一個采集器，與另一采集器碰撞后將導致另一采集器振動，兩個采集器的振動將導致其振動梁上的壓電層內(nèi)的應力交替變化，由于壓電效應，在壓電層的兩個電極之間將產(chǎn)生電勢差，利用該電勢差為負載供電； 所述系統(tǒng)能獲取遠低于采集器固有頻率的環(huán)境振動能。
2.如權利要求1所述的寬頻帶低頻微型壓電振動能采集系統(tǒng)，其特征在于所述微型壓電振動能采集器采用單端有固支點的懸臂梁微型壓電振動能采集器，或兩端有固支點的微型壓電振動能采集器。
全文摘要
本發(fā)明提出一種寬頻帶低頻微型壓電振動能采集系統(tǒng)，由微型壓電振動能采集器、底座和滾珠構成。微型壓電振動能采集器有兩個，固定于底座兩側(cè)，底座上設置通孔，孔內(nèi)放置滾珠，通孔位于兩個微型壓電振動能采集器的梁之間，通孔開口距離振動能采集器的梁的距離小于滾珠的直徑。在環(huán)境振動作用下，滾珠在通孔內(nèi)滾動，交替碰撞采集器導致其振動，從而導致其梁上的壓電層內(nèi)的應力交替變化，在壓電層的兩個電極之間將產(chǎn)生電勢差，利用該電勢差為負載供電。本發(fā)明提出的微型壓電振動能采集系統(tǒng)可以高效獲取遠低于采集器固有頻率的環(huán)境低頻振動能，同時具有工作頻帶寬的優(yōu)點，特別適合于為無線傳感節(jié)點和便攜式電子產(chǎn)品等供電。
文檔編號H02N2/18GK102223107SQ20111017506
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權日2011年6月27日
發(fā)明者賀學鋒 申請人:重慶大學