專利名稱：一種帶柔性支承的微型壓電風(fēng)能采集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域，特別涉及到將環(huán)境風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的 MEMS 微能源(Power MEMS)技術(shù)。
背景技術(shù)：
同電池等傳統(tǒng)能源相比，基于MEMS技術(shù)的、直接將環(huán)境中廣泛存在的振動能、流體動能、熱能、太陽能等轉(zhuǎn)換為電能的微能源具有尺寸小、壽命長、易集成等諸多優(yōu)點，是無線傳感網(wǎng)絡(luò)和微小型自治式微系統(tǒng)迫切需要的理想電源，是當(dāng)前國際上微能源研究的熱點?；陲L(fēng)致振動機(jī)理的微型能采集器利用風(fēng)載荷引起的微結(jié)構(gòu)振動將環(huán)境風(fēng)能轉(zhuǎn)換為微結(jié)構(gòu)振動能，進(jìn)一步利用電磁感應(yīng)、壓電效應(yīng)或靜電效應(yīng)將微結(jié)構(gòu)振動能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)對負(fù)載或儲能器的供電，具有結(jié)構(gòu)簡單、不含轉(zhuǎn)動部件等諸多優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測、建筑物健康監(jiān)測等無線傳感網(wǎng)絡(luò)等方面有廣闊應(yīng)用前景。微型振動式風(fēng)能采集器輸出的電能需要通過整流、儲能等環(huán)節(jié)，才能為負(fù)載供電， 以上環(huán)節(jié)需要消耗部分電能，當(dāng)采集器輸出功率過低時，其產(chǎn)生的電能大部分被以上環(huán)節(jié)消耗，難以被應(yīng)用對象利用。微型振動式風(fēng)能采集器的輸出功率由采集器振幅決定，而該振幅直接依賴于環(huán)境風(fēng)速的大小。根據(jù)風(fēng)載荷特點可知，風(fēng)對結(jié)構(gòu)施加的風(fēng)載荷包含靜風(fēng)載荷和動風(fēng)載荷兩部分，其中動風(fēng)載荷的頻率隨著風(fēng)速的增加而增加，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速達(dá)到某個值(臨界風(fēng)速)時，動風(fēng)載荷的頻率接近或達(dá)到微型振動風(fēng)能采集器固有頻率，采集器將產(chǎn)生強(qiáng)烈振動，使其振幅達(dá)到某個值(臨界振幅)以上，采集器才能正常應(yīng)用(即為應(yīng)用對象正常供電)。針對中、小風(fēng)速應(yīng)用環(huán)境，重慶大學(xué)提出引入質(zhì)量塊來降低微型振動式風(fēng)能采集器固有頻率的技術(shù)(發(fā)明專利申請?zhí)?01010233045. 5)，進(jìn)一步達(dá)到降低風(fēng)能采集器正常工作的臨界風(fēng)速，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種帶柔性支承的微型壓電風(fēng)能采集器，是另一種降低微型壓電風(fēng)能采集器正常工作的臨界風(fēng)速的方法與結(jié)構(gòu)，在大型建筑物健康監(jiān)測、國土安全監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域均有廣闊應(yīng)用前景。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案
一種帶柔性支承的微型壓電風(fēng)能采集器，其包括微支架、壓電復(fù)合梁(即含壓電層的復(fù)合梁)、柔性支承和底座。其柔性支承為不含壓電層的柔性梁。微型壓電風(fēng)能采集器可以采用以下兩類結(jié)構(gòu)
(1)壓電復(fù)合梁的一端通過柔性支承固定于微支架上，另一端自由，或兩端均通過柔性支承固定于微支架上，微支架固定于底座上。(2)壓電復(fù)合梁的一端固定于微支架上，另一端自由，或兩端均固定于微支架上， 微支架固定于柔性支承上，進(jìn)一步通過柔性支承固定于底座上。
以上壓電復(fù)合梁的壓電層上、下表面均設(shè)置有電極，動風(fēng)載荷引起的微型風(fēng)能采集器系統(tǒng)產(chǎn)生振動，將環(huán)境風(fēng)能轉(zhuǎn)換為振動能，其中壓電復(fù)合梁的振動將引起其上的壓電層應(yīng)力的交替變化，由于壓電效應(yīng)，在壓電層的上、下表面之間將產(chǎn)生電勢差，利用該電勢差可實現(xiàn)對負(fù)載或儲能器的供電。將以上微型風(fēng)能采集器的振動部分可以簡化為一個由彈簧％質(zhì)量塊組成的單自由度系統(tǒng)，由振動理論可知，該采集器的固有頻率為
上式中m為主動部分的等效質(zhì)量，由柔性支承和振動梁/膜的質(zhì)量和對應(yīng)振動的振型決定；等效剛度^由柔性支承的剛度和振動梁/膜的材料、厚度、長度、寬度決定，其中柔性支承剛度隨柔性支承的材料特性和幾何形狀與尺寸決定。當(dāng)柔性支承的長度、寬度和厚度減小時，或則柔性支持采用更軟的材料時，柔性支承的剛度將降低，從而導(dǎo)致以上等效剛度 K的降低，進(jìn)一步導(dǎo)致微型風(fēng)能采集器固有頻率的降低。 根據(jù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動機(jī)理可知，當(dāng)動風(fēng)載荷的頻率接近或達(dá)到微型風(fēng)能采集器固有頻率時，采集器將產(chǎn)生強(qiáng)烈振動。動風(fēng)載荷的主要部分是由于旋渦脫落引起，旋渦脫落的頻率為
式中P為斯脫羅哈數(shù)(strouhal數(shù))，々是結(jié)構(gòu)垂直于來流方向平面上的特征尺寸，i/是風(fēng)速。由上式可見，漩渦脫落的頻率隨著風(fēng)速V的提高而提高。由于當(dāng)旋渦脫落的頻率接近或達(dá)到微型風(fēng)能采集器固有頻率時，采集器才產(chǎn)生強(qiáng)烈振動，因此在迎風(fēng)尺寸不變的情況下，固有頻率更高的采集器只有在更高的風(fēng)速下才能產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動，才能正常應(yīng)用。本發(fā)明引入的柔性支承可以有效降低基于風(fēng)致振動的微型風(fēng)能采集器的固有頻率，所以可以有效降低采集器正常工作的風(fēng)速?？梢?，本發(fā)明通過增加柔性支承，可以降低采集器的剛度，進(jìn)而降低了其固有頻率，使采集器在更低風(fēng)速作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈振動。因此柔性支承的引入將有效降低基于風(fēng)致振動機(jī)理的微型風(fēng)能采集器正常應(yīng)用的臨界風(fēng)速，從而有效擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。本發(fā)明提出的帶柔性支承的微型振動式風(fēng)能采集器結(jié)構(gòu)簡單，便于采用硅微加工技術(shù)和微組裝技術(shù)進(jìn)行批量化加工，成本低。本發(fā)明還可以與引入質(zhì)量塊降低微型風(fēng)能采集器正常工作臨界風(fēng)速的方法同時應(yīng)用，以達(dá)到進(jìn)一步降低臨界風(fēng)速的目的。


圖1是在硅片上生長絕緣層示意圖2是生長并圖形化底部金屬電極的示意圖； 圖3是制備壓電膜并圖形化的示意圖； 圖4是生長并圖形化頂部金屬電極的示意圖；圖5是硅片正面形成釋放槽待刻蝕窗口的示意圖； 圖6是硅片正面刻蝕釋放槽的示意圖； 圖7是從硅片背面形成刻蝕窗口的示意圖； 圖8是從硅片背面釋放結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖9是柔性支承示意圖； 圖10是連接柔性支承與微支架的示意圖； 圖11是底座示意圖12是一種結(jié)構(gòu)形式的帶柔性支承的微型壓電風(fēng)能采集器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖13是另一種結(jié)構(gòu)形式的帶柔性支承的微型壓電風(fēng)能采集器的結(jié)構(gòu)一示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和實驗結(jié)果進(jìn)一步對本發(fā)明進(jìn)行說明。通過以上工藝，就完成了本發(fā)明提出的帶柔性支承的微型壓電風(fēng)能采集器第二種結(jié)構(gòu)的制作，
參見圖12，帶柔性支承的微型壓電風(fēng)能采集器包括微支架11、壓電復(fù)合梁10、柔性支承12和底座13，其壓電復(fù)合梁10固定于微支架11上，微支架11通過柔性支承12固定于底座13上。下面對以上采集器的制作方法進(jìn)行說明，典型工藝流程如下
1、選取雙面拋光單晶硅片為襯底1，采用氧化或化學(xué)氣相淀積的方法在襯底1的正面和背面同時生長Si02層2和Si3N4層3，如圖1所示；
2、在硅片正面以磁控濺射的方法依次沉積Ti和Pt層，然后涂光刻膠，正面光刻1次， 形成光刻膠圖形，進(jìn)一步采用濕法腐蝕工藝腐蝕Pt和Ti層，去除光刻膠，形成底部電極層 4，如圖2所示；
3、在硅片正面采用溶膠一凝膠或濺射等方法制備PZT壓電膜，然后涂光刻膠，制備光刻2次，形成光刻膠圖形，進(jìn)一步采用濕法腐蝕工藝腐蝕PZT膜，去除光刻膠，形成圖形化的 PZT膜，即壓電層5，如圖3所示;
4、在硅片正面以磁控濺射的方式依次濺射Ti和Pt層，然后涂光刻膠，正面光刻3次， 形成光刻膠圖形，進(jìn)一步采用濕法腐蝕工藝腐蝕Pt和Ti層，去除光刻膠，形成頂部電極層 6，如圖4所示；
5.硅片正面涂光刻膠，正面光刻4次，形成光刻膠圖形，進(jìn)一步采用濕法腐蝕工藝腐蝕Si3N4層和SiA層，去除光刻膠，形成釋放槽待刻蝕窗口 7，如圖5所示；
6.為了便于結(jié)構(gòu)釋放，采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕或濕法腐蝕工藝從正面刻蝕二氧化硅襯底1，在采集器可動部分的周圍形成釋放槽8，如圖6所示；
7.采用濺射工藝在硅片1背面濺射Al，硅片背面涂光刻膠，背面光刻1次，形成光刻膠圖形，采用濕法腐蝕形成Al圖形，進(jìn)一步采用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕背面Si3N4層和SiA 層，去除光刻膠，形成背面刻蝕窗口 9，如圖7所示；
9 .采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕工藝從硅片背面對硅片進(jìn)行刻蝕，直到刻透硅片正面的釋放槽，此時壓電層下還有一層單晶硅層(其厚度與硅片正面的槽的深度基本相同)，形成二氧化硅襯底1上釋放了的采集器可動部分及微梁10，以及固定微梁的微支架11，如圖8所示；
11.采用精密微加工等方法，制作柔性支承12，如圖9所示；
12.常用微組裝工藝，將微支架固定于柔性支承的一端，如圖10所示；
13.采用精密機(jī)械加工等方法，制作底座13，如圖11所示；
14.采用微組裝工藝，將柔性支承的另一端固定于底座上，形成帶柔性支承的微型風(fēng)能采集器，如圖12所示。參見圖13，這是另一種結(jié)構(gòu)的采集器，其壓電復(fù)合梁10通過柔性支承12與微支架11連接在一起，微支架11固定于底座13上。對于這種結(jié)構(gòu)而言，其是在采用微加工工藝制作壓電復(fù)合梁和微支架過程中同時制作了柔性支承，最后采用微組裝工藝將微支架與底座組裝在一起即可。以上提出的采集器的壓電層也可以不用PZT材料，而改用PVDF、&iO、AlN等，壓電層的生長也可以采用濺射、MOCVD等方法。在實際應(yīng)用時，將帶柔性支承的微型壓電風(fēng)能采集器置于環(huán)境風(fēng)場中，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到臨界風(fēng)速時，動風(fēng)載荷的頻率與采集器固有頻率接近或相同時，采集器可動部分將產(chǎn)生強(qiáng)烈振動。該振動將導(dǎo)致壓電復(fù)合梁的壓電層內(nèi)的應(yīng)力交替變化，由于壓電效應(yīng)，在壓電層的上、下表面之間將產(chǎn)生交替變化的電勢差，通過分別位于壓電層上、下表面的電極引出后可以直接為某些負(fù)載供電，或者經(jīng)整流后對儲能器進(jìn)行充電。為了進(jìn)一步驗證柔性支承對降低基于風(fēng)致振動機(jī)理的微型壓電風(fēng)能采集器正常應(yīng)用的風(fēng)速的有效性，分別對沒有柔性支承和有柔性支承的微型風(fēng)能采集器原理樣機(jī)進(jìn)行了測試。本發(fā)明人采用微組裝技術(shù)制作了一個沒有柔性支承的微型壓電風(fēng)能采集器(樣機(jī)一)和一個帶柔性支承的微型壓電風(fēng)能采集器原理樣機(jī)(樣機(jī)二)。兩個樣機(jī)的壓電復(fù)合梁是完全一樣的，該壓電復(fù)合梁包含兩層極化方向相反的PZT-5H壓電層，其中上、下壓電層的厚度均為139 μ m，中間金屬層厚度為102 μ m，壓電復(fù)合梁的長度為32mm，寬度為6. 4mm ； 樣機(jī)二帶有柔性支承，柔性支承采用的是聚酯材料，其長度為9. 8mm。分別將樣機(jī)一和樣機(jī)二置于小型風(fēng)洞中進(jìn)行測試，在采集器前98mm處設(shè)置了直徑13. 5mm的圓柱形鈍體一個，在 14m/s、16m/s和18m/s的風(fēng)速作用下，樣機(jī)一的開路電壓分別為0. 55V、0. 71V和0. 74V，樣機(jī)二的開路電壓分別為0. 58V、0. 91V和1. 24V.當(dāng)風(fēng)速從14m/s增加到18m/s時，帶柔性支承的樣機(jī)二的開路電壓顯著增加，而不帶柔性支承的樣機(jī)一的開路電壓變化不大，這說明柔性支承降低了采集器的臨界風(fēng)速。以上實驗表明，本發(fā)明提出的微型壓電風(fēng)能采集器新結(jié)構(gòu)可以有效降低微型風(fēng)能采集器正常工作的風(fēng)速，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
權(quán)利要求
1.一種帶柔性支承的微型壓電風(fēng)能采集器，包括微支架、壓電復(fù)合梁、和底座；其特征在于所述壓電復(fù)合梁通過柔性支承和微支架與底座進(jìn)行連接。
2.如權(quán)利要求1所述的微型壓電風(fēng)能采集器，其特征在于所述壓電復(fù)合梁與柔性支承連接，柔性支承再通過微支架與底座進(jìn)行連接。
3.如權(quán)利要求1所述的微型壓電風(fēng)能采集器，其特征在于所述壓電復(fù)合梁與微支架連接，柔性支承再柔性支承通過與底座進(jìn)行連接。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的微型壓電風(fēng)能采集器，其特征在于壓電復(fù)合梁的連接點是在一端，另一端自由；或是兩端均為連接點。
5.如權(quán)利要求4所述的微型壓電風(fēng)能采集器，其特征在于所述柔性支承為不含壓電層的柔性梁，其柔性梁將顯著降低風(fēng)能采集器的剛度。
6.如權(quán)利要求4所述的微型壓電風(fēng)能采集器，其特征在于所述柔性支承是采用微加工工藝與壓電復(fù)合梁和微支架的制作同時完成，或是采用微加工工藝單獨制作，再與微加工工藝制作的壓電復(fù)合梁和微支架通過微組裝方式進(jìn)行組裝，最后與支座固定。
7.如權(quán)利要求4所述的微型壓電風(fēng)能采集器，其特征在于所述壓電復(fù)合梁的壓電層的上、下表面均設(shè)置有電極。
全文摘要
一種帶柔性支承的微型壓電風(fēng)能采集器，其包括微支架、壓電復(fù)合梁、柔性支承和底座。所述壓電復(fù)合梁通過柔性支承和微支架與底座進(jìn)行連接。所述壓電復(fù)合梁的壓電層上、下表面均設(shè)置有電極，動風(fēng)載荷引起的微型風(fēng)能采集器系統(tǒng)產(chǎn)生振動，在壓電層的上、下表面之間產(chǎn)生電勢差，利用該電勢差可實現(xiàn)對負(fù)載或儲能器的供電。本發(fā)明引入的柔性支承降低了微型風(fēng)能采集器的固有頻率，使其在更低風(fēng)速下產(chǎn)生強(qiáng)烈振動，因此可以有效降低采集器正常應(yīng)用的臨界風(fēng)速。
文檔編號B81B3/00GK102280573SQ20111017506
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月27日
發(fā)明者李江, 杜志剛, 賀學(xué)鋒 申請人:重慶大學(xué)