專利名稱：基于柔性聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于柔性聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器，通過對柔性聚合物壓電材料(如聚偏氟乙烯，PVDF)、永磁體(如釹鐵硼，NdFeB )、微機電系統(tǒng)(MEMS)電感線圈進行組裝，實現(xiàn)了多模態(tài)、復合式的能量采集，可以有效地收集環(huán)境中的低頻振動，為低功耗微電子器件供能。
背景技術：
隨著科技水平的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)成為當前信息技術的研究熱點，具有很大的發(fā)展前景，無線微型傳感器是物聯(lián)網(wǎng)中必不可少的器件，由于工作環(huán)境的限制，傳統(tǒng)的功能方法如電池、傳輸線等并不能滿足無線微型傳感器的需求，因此需要采用新的供能方法。因此，能量采集技術應運而生。能量采集是將環(huán)境中的各種能量通過某種方式轉換為電能，從而為微電子器件提供能量。環(huán)境中的能量主要有太陽能、風能、振動能等等。對于太陽能和風能，器件的輸出性能均會受天氣影響，造成供能的不穩(wěn)定。相比之下，振動能是無處不在的，制備將振動能轉化為電能的器件可以解決物聯(lián)網(wǎng)中無線微型傳感器的供能問題。目前，基于振動的能量采集器主要有三種工作方式靜電式、壓電式、電磁式。靜電式能量采集器輸出電壓較高，但是工作過程中需要外加電源，因此不適于無線微型傳感器的供能。壓電式能量采集器和電磁式能量采集器則不需外加電源，可以用于無線微型傳感器的供能。H. L i u 等人在 “Piezoelectric MEMS Energy HarvesterforLow-FrequencyVibrations With Wideband OperationRange and Steadily IncreasedOutputPower(IEEE Journalof Microelectromechanical System 2011, 20:1131-1142)(中文題目“適用于低頻振動的寬頻帶穩(wěn)定高輸出型壓電式微機電系統(tǒng)能量采集器”，國際期刊IEEE微電子機械系統(tǒng)學報)文章中報導了一種d31模態(tài)的壓電能量采集器，其諧振頻率為36Hz，適用于采集環(huán)境中的低頻振動，但是輸出電壓相對較低，為124mV。Y. B. Jeon 等人在“MEMS power generator withtransverse mode thin filmPZT” (Sensors and Actuators A, 2005，122:16-22)(中文題目“基于橫向模態(tài)的鋯鈦酸鉛薄膜微機電系統(tǒng)能量采集器”，國際期刊傳感器和執(zhí)行器A)文章中報導了一種d33模態(tài)的壓電能量采集器，其輸出電壓高達3V，但是諧振頻率過高，為13. 9kHz。1.Sari 等 人 在 “An ElectromagneticMicro Power Generator forLow-FrequencyEnvironmental Vibrations Basedonthe Frequency Upconversion Technique，，(IEEEJournalofMicroelectromechanical System 2010, 19:14-27)(中文題目“基于升頻技術的適用于環(huán)境低頻振動采集的電磁式能量采集器”，國際期刊=IEEE微電子機械系統(tǒng)學報)報道了一種基于升頻結構的電磁式能量采集器，可以有效地收集環(huán)境中的低頻振動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于柔性聚合物壓電材料(PVDF)的多模態(tài)、復合式能量采集器。首先將壓電材料的d31模態(tài)和d33模態(tài)結合，實現(xiàn)低諧振頻率與高輸出。此外在多模態(tài)壓電能量采集器的基礎上增加電磁模塊，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。電磁模塊中的電感線圈利用MEMS電鍍銅工藝進行制備。一種基于聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器，包括聚合物薄膜、聚合物懸臂梁、質(zhì)量塊、銅支柱。進一步地,還包括電感線圈。進一步地，聚合物薄膜為柔性聚合物PVDF薄膜，聚合物懸臂梁為PVDF懸臂梁，質(zhì)量塊為永磁鐵質(zhì)量塊，優(yōu)選為NdFeB永磁體質(zhì)量塊。進一步地，采集器下襯底為聚合物薄膜，上襯底為電感線圈或聚合物薄膜。一種基于聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器的制備方法，按順序包括如下步驟(A)準備帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(B)將PVDF薄膜置于下襯底；(C)搭建銅支柱，用于支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(D)將PVDF懸臂梁置于銅支柱上，在懸臂梁末端加質(zhì)量塊；(E)將上襯底置于銅支柱上；(F)引出電極，完成能量采集器制備。進一步地，在步驟(A)之前還包括(S)電感線圈的制備。(S)電感線圈的制備按順序包括如下步驟任選的(SI)對準備的硅片進行清洗；(S2)硅片雙面氧化生長200-500nm的SiO2絕緣層；(S3)濺射10-50nm的Ti種子層和200_500nm的Cu種子層；(S4)旋涂厚的正膠，并光刻；(S5)電鍍平面螺旋Cu線圈，高度為8-15 U m ；(S6)去除光刻膠和去除Ti/Cu種子層；(S7)將電感線圈置于上襯底。進一步地(S2)中SiO2絕緣層厚度為300nm ；(S3)中Ti種子層厚度為30nm，Cu種子層厚度為300nm;(S4)中正膠厚度 IOiim ;(S5)中Cu線圈高度為10 ii m。一種基于聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器的制備方法，按順序包括如下步驟(A)準備帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(B)將PVDF薄膜置于上、下襯底；(C)搭建銅支柱，用于支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(D)將PVDF懸臂梁置于銅支柱上，在懸臂梁末端加質(zhì)量塊；(E)將上襯底置于銅支柱上；(F)引出電極，完成能量采集器制備。
上述能量采集器的用途可以收集環(huán)境中的低頻振動，為低功耗為電子器件供能。利用本發(fā)明制造的基于柔性聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器優(yōu)點在于(I)采用柔性聚合物材料作為懸臂梁，降低了能量采集器的諧振頻率，可以有效地采集環(huán)境中的低頻振動；(2)本發(fā)明將電磁式與壓電式能量采集器復合，實現(xiàn)了二者的優(yōu)勢互補；(3)本發(fā)明將壓電式能量采集器的d31模態(tài)與d33模態(tài)結合在一起，實現(xiàn)了不同模態(tài)的優(yōu)勢互補。


下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明圖1為本發(fā)明的基于柔性聚合物壓電材料的多模態(tài)能量采集器示意圖。圖2為本發(fā)明的基于柔性聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器的工作原理示意圖。圖3為本發(fā)明的MEMS銅電感線圈的SEM照片。圖4為本發(fā)明的MEMS銅電感線圈的制備工藝流程。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征、優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明實施例作進一步詳細的說明。實施例1例I為d31與d33模態(tài)復合式壓電能量采集器，該器件的結構主要包括PVDF薄膜、PVDF懸臂梁、質(zhì)量塊、銅支撐柱。外界環(huán)境中的振動會引起PVDF懸臂梁振動，產(chǎn)生d31模態(tài)的輸出；與此同時，末端質(zhì)量塊隨PVDF懸臂梁振動，對下襯底上的PVDF薄膜進行敲擊，產(chǎn)生d33模態(tài)的輸出。由于器件中不包含電磁模塊，因此電感線圈的制備步驟可以省略，PVDF懸臂梁末端的質(zhì)量塊亦可用其它物質(zhì)代替，其具體制備步驟如下(I)準備厚度為100 U m,帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(2)將PVDF薄膜置于下襯底；(3)搭建銅支柱，用于支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(4)將PVDF懸臂梁置于銅支柱上，在懸臂梁末端加質(zhì)量塊；(5)將上襯底置于銅支柱上；(6)引出電極，完成器件制備。參照圖1，圖1為本發(fā)明的基于柔性聚合物壓電材料的多模態(tài)能量采集器示意圖。實施例2例2在d31與d33模態(tài)復合式壓電能量采集器的基礎上增加了電磁模塊，該器件的結構主要包括=PVDF薄膜、PVDF懸臂梁、質(zhì)量塊、銅支撐柱以及MEMS平面電感線圈。當外界振動使PVDF懸臂梁振動時，除了產(chǎn)生壓電輸出，電感線圈中的磁通量會發(fā)生變化從而產(chǎn)生電磁輸出，其具體制備步驟如下(I)備片、進行硅片清洗；(2)在硅片上雙面氧化生長300nm的SiO2絕緣層；(3)派射30nm的Ti種子層和300nm的Cu種子層；
(4)旋涂10 ii m厚的正膠、第光刻；(5)電鍍平面螺旋Cu線圈，高度為10 ii m ;(6)去除光刻膠；(7)去除Ti/Cu種子層；(8)將電感線圈置于上襯底；(9)準備厚度為100 U m,帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(10)將PVDF薄膜置于下襯底；(11)搭建銅支柱，用于支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(12)將PVDF懸臂梁置于銅支柱上，在懸臂梁末端加永磁體質(zhì)量塊；( 13)將上襯底置于銅支柱上；(14)引出電極，完成器件制備。參照圖2，圖2為本發(fā)明的基于柔性聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器的工作原理示意圖。參照圖3，圖3為本發(fā)明的MEMS銅電感線圈的SEM照片。參照圖4，圖4為本發(fā)明的MEMS銅電感線圈的制備工藝流程。實施例3例三在d31與d33模態(tài)復合式壓電能量采集器的基礎上，在上襯底也增加了 PVDF薄膜，即將例2中的MEMS平面電感線圈替換為PVDF薄膜。該器件的結構主要包括PVDF薄膜、PVDF懸臂梁、質(zhì)量塊、銅支撐柱。外界振動使PVDF懸臂梁振動，產(chǎn)生d31模態(tài)的輸出；同時，末端質(zhì)量塊對上、下襯底上的PVDF薄膜進行敲擊，產(chǎn)生d33模態(tài)的輸出。其具體制備步驟如下(I)準備厚度為100 U m,帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(2)將PVDF薄膜置于上、下襯底；(3)搭建銅支柱，用于支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(4)將PVDF懸臂梁置于銅支柱上，在懸臂梁末端加質(zhì)量塊；(5)將上襯底置于銅支柱上；(6)引出電極，完成器件制備。以上對本發(fā)明所提供的一種基于柔性聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本發(fā)明的限制。
權利要求
1.一種基于聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器，其特征在于包括聚合物薄膜、聚合物懸臂梁、質(zhì)量塊、銅支柱。
2.根據(jù)權利要求1所述的能量采集器，其特征在于還包括電感線圈。
3.根據(jù)權利要求1所述的能量采集器，其特征在于聚合物薄膜為柔性聚合物PVDF薄膜，聚合物懸臂梁為PVDF懸臂梁，質(zhì)量塊為永磁鐵質(zhì)量塊，優(yōu)選為NdFeB永磁體質(zhì)量塊。
4.根據(jù)權利要求1所述的能量采集器，其特征在于采集器下襯底為聚合物薄膜，上襯底為電感線圈或聚合物薄膜。
5.一種基于聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器的制備方法，其特征在于按順序包括如下步驟(A)準備帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(B)將PVDF薄膜置于下襯底；(C)搭建銅支柱，用于支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(D)將PVDF懸臂梁置于銅支柱上，在懸臂梁末端加質(zhì)量塊；(E)將上襯底置于銅支柱上；(F)引出電極，完成能量米集器制備。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器的制備方法，其特征在于在步驟(A)之前還包括(S)電感線圈的制備。
7.根據(jù)權利要求6所述的基于聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器的制備方法，其特征在于(S)電感線圈的制備按順序包括如下步驟任選的(SI)對準備的硅片進行清洗；(52)硅片雙面氧化生長200-500nm的Si02絕緣層；(53)濺射10-50nm的Ti種子層和200_500nm的Cu種子層；(54)旋涂8-15μ m厚的正膠，并光刻；(55)電鍍平面螺旋Cu線圈，高度為8-15μπι;(56)去除光刻膠和去除Ti/Cu種子層；(57)將電感線圈置于上襯底。
8.根據(jù)權利要求7所述的基于聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器的制備方法，其特征在于(52)中Si02絕緣層厚度為300nm；(53)中Ti種子層厚度為30nm，Cu種子層厚度為300nm;(54)中正膠厚度IOym；(55)中Cu線圈高度為10μ m。
9.一種基于聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器的制備方法，其特征在于按順序包括如下步驟(A)準備帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(B)將PVDF薄膜置于上、下襯底；(C)搭建銅支柱，用于支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(D)將PVDF懸臂梁置于銅支柱上，在懸臂梁末端加質(zhì)量塊；(E)將上襯底置于銅支柱上；(F)引出電極，完成能量米集器制備。
10.一種權利要求1-4中的能量采集器或根據(jù)權利要求5-9制備得到的能量采集器的用途，其特征在于收集環(huán)境中的低頻振動，為低功耗為電子器件供能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于柔性聚合物壓電材料的多模態(tài)復合式能量采集器,通過對柔性聚合物壓電材料(如聚偏氟乙烯，PVDF)、永磁體(如釹鐵硼，NdFeB)、微機電系統(tǒng)(MEMS)電感線圈進行組裝，實現(xiàn)了多模態(tài)、復合式的能量采集，可以有效地收集環(huán)境中的低頻振動，為低功耗微電子器件供能。
文檔編號H02K35/02GK103036477SQ201210552010
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權日2012年12月18日
發(fā)明者張海霞, 韓夢迪, 張守鶴 申請人:北京大學