專利名稱：基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻微型振動能量采集器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電系統(tǒng)領域的裝置，具體是一種基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻 微型振動能量采集器。
背景技術(shù)：
隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)逐漸進入人們的視野，其在生物 醫(yī)療、工業(yè)、建筑業(yè)、消費電子和國防等領域中，皆有廣闊的應用前景。對無線傳感網(wǎng)絡供 電是一個迫切需要解決的問題，目前高能量密度的一次性電池仍是人們的首選。盡管電池 的儲能密度和使用壽命不斷得以提高，傳統(tǒng)電池仍具有一些無法改變的缺陷體積大，質(zhì)量 大，供能壽命有限，更換困難。而能從周圍壞境中采集能量的能源裝置無疑是一個頗具前景 的替代方案，振動能量采集器能夠把周圍環(huán)境中的振動能轉(zhuǎn)化為電能從而為微型元器件供 電，是一種很有潛力的研究領域?；贛EMS加工技術(shù)的微型振動能量采集器，能與逐步微 型化的無線傳感器節(jié)點的其他電子器件更好地結(jié)合在一起，使其適合于特殊環(huán)境的使用要 求，因此有廣泛的應用前景。振動能量采集器通常應工作在諧振狀態(tài)(拾振固有頻率與環(huán)境振動頻率相等)， 此時受迫振幅最大，輸出功率也最大。而環(huán)境頻率通常是在一個范圍內(nèi)變化的，例如筆記本 電腦正常工作時頻率為543Hz，在讀一張⑶時，它的振動頻率為154Hz。因此制作能在一定 頻譜范圍內(nèi)頻率可調(diào)以適應外部環(huán)境振動頻率的振動能量采集器，以高效的利用周圍環(huán)境 中的振動能量，具有很重大的研究價值，這也一直是廣大研究者的研究熱點。通常有兩種方法可以達到頻率可調(diào)，一種是改變振動系統(tǒng)中質(zhì)量塊的有 效質(zhì)量在懸臂梁上的分布，另一種是改變懸臂梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要是改變懸臂梁 的剛度和預警力。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，Dibin Zhu等人在“Design and experimental characterization of a tunablevibration-based electromagnetic micro-generator" (Sensors and Actuators, A, 2010, 284-293)(中文題目“一種可調(diào)頻微 型電磁式振動能量采集器的設計與實驗表征”國際期刊傳感器與執(zhí)行器A)文章中報道了 一種利用永磁體給懸臂梁提供一個軸向拉力，通過適當調(diào)節(jié)磁體位置，使懸臂梁所受拉力 不同，從而成功實現(xiàn)了共振頻率從67. 6至98Hz可調(diào)，但它整個結(jié)構(gòu)都是由人工裝配而成， 因而調(diào)頻困難，工藝步驟繁多復雜，且個體尺寸較大，集成制造困難，難以與微型器件兼容。 Christian Peters 等人在 “A closed-loop wide-range tunab 1 emechanical resonator for energy harvesting systems，，(Journal of Micromechanics andMicro engineering， 19，2009，094004)(中文題目“一種閉環(huán)可調(diào)寬頻帶振動能量采集器”國際期刊微機械和 微工程學報)文章中報道了一種利用壓電驅(qū)動的可調(diào)頻振動能量采集器，通過在其中一塊 壓電片上加載_5 +5V電壓，實現(xiàn)了共振頻率從66至89Hz可調(diào)，雖然部分結(jié)構(gòu)可以集成， 但整體依然靠人工裝配，且結(jié)構(gòu)復雜，制作困難，輸出功率不高，能量轉(zhuǎn)化效率低，很難實現(xiàn) 大規(guī)模集成制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻微型振動 能量采集器，利用上下兩路平行排布的金屬電阻絲層和中間包夾的熱絕緣性聚合物層組成 的三明治結(jié)構(gòu)作為懸臂梁來實現(xiàn)調(diào)頻功能，以充分發(fā)揮聚合物結(jié)構(gòu)伸長大、功耗低、結(jié)構(gòu)簡 單的優(yōu)勢，以實現(xiàn)對懸臂梁的長度、剛度、應力調(diào)節(jié)。本發(fā)明整個結(jié)構(gòu)均可采用標準微加工 工藝，與IC工藝相兼容，易于批量化加工。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括基座、支撐塊、下路電阻絲層、聚 合物結(jié)構(gòu)層、上路電阻絲層和拾振磁體，其中基座、下路電阻絲層、聚合物結(jié)構(gòu)層、上路電 阻絲層和拾振磁體依次由下而上固定設置，上路電阻絲層和下路電阻絲層的懸空部分分別 包裹于聚合物結(jié)構(gòu)層的懸梁部分并形成三層膜的三明治結(jié)構(gòu)，拾振磁體位于三明治結(jié)構(gòu)上 方的頂端并與上路電阻絲層緊密相連。所述的上路電阻絲層包括電鍍鎳或銅制備的金屬懸臂梁結(jié)構(gòu)和旋涂的聚酰亞胺層。所述的下路電阻絲層是由電鍍鎳或銅制備得到的金屬懸臂梁結(jié)構(gòu)。所述的金屬懸臂梁結(jié)構(gòu)包括依次連接的電極、支撐塊和電阻條，其中電極作為 固定末端與支撐塊一起位于基座的上表面，平行條狀排布的電阻條延伸至基座外部作為懸 臂梁懸空。所述的電阻條為細條狀結(jié)構(gòu)或繞曲的蛇形彈簧結(jié)構(gòu)，在電極受到電信號后能夠產(chǎn) 生焦耳熱，使下路電阻絲層發(fā)熱，并傳至其上面的聚合物結(jié)構(gòu)層。所述的支撐塊是電鍍金屬塊，該支撐塊鑲嵌于上路電阻絲層或下路電阻絲層中起 到支撐保護作用。所述的聚合物結(jié)構(gòu)層是圖形化的parylene聚合物薄，該聚合物結(jié)構(gòu)層一端的固 定部分通過支撐塊固定，另一端的懸梁部分伸出支撐塊并懸空，以實現(xiàn)充分地吸收電阻條 產(chǎn)生的熱量，以促進整個器件調(diào)頻功能的實現(xiàn)。所述的拾振磁體可以用微裝配的方法將粘結(jié)磁體直接安裝到器件上，也可以通過 粘結(jié)磁體微結(jié)構(gòu)圖形化的方法，利用光刻、涂覆和刻蝕等工藝集成在器件上，這有利于加工 工藝的靈活性。本發(fā)明主要用于采集自然界中廣泛存在的1000赫茲以下某一特定頻率范圍內(nèi)的 低頻振動能。通過調(diào)節(jié)能量采集器自身的固有頻率，使之能與外界振動產(chǎn)生諧振，根據(jù)法拉 第定律，當器件在這一特定頻率范圍內(nèi)振動時，通過感應線圈產(chǎn)生較大感應電流。根據(jù)理論 分析，振動能量采集器通常應工作在諧振狀態(tài)(拾振固有頻率與環(huán)境振動頻率相等)，此時 受迫振幅最大，輸出功率也最大。本發(fā)明利用三明治懸臂梁結(jié)構(gòu)和拾振磁體組成的拾振結(jié) 構(gòu)來實現(xiàn)能量采集，當外界發(fā)生振動時，三明治懸臂梁結(jié)構(gòu)及其上的拾振磁體會發(fā)生振動， 引起感應線圈產(chǎn)生電流，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化和采集。本發(fā)明的調(diào)頻原理是對三明治懸臂梁結(jié)構(gòu)中電阻絲施加一定的脈沖電壓，由于 金屬有良好的導熱性，熱量會迅速分布在聚合物結(jié)構(gòu)層表面，使聚合物受熱膨脹，進而產(chǎn)生 膜內(nèi)應力或使膜長度增長，這必然引起膜固有特性的變化，包括整個拾振結(jié)構(gòu)固有頻率的 改變，從而實現(xiàn)固有頻率的調(diào)節(jié)。當對上路電阻絲層施加脈沖電壓時，根據(jù)經(jīng)典的雙層膜 理論，聚合物結(jié)構(gòu)層上表面受熱膨脹，進而向下擠壓彎曲；當對下路電阻絲層施加脈沖電壓時，聚合物結(jié)構(gòu)層下表面受熱膨脹，進而向上擠壓彎曲；當對上下兩路電阻絲層同時施加脈 沖電壓時，聚合物結(jié)構(gòu)會因受熱膨脹伸長。這都在不同程度改變著結(jié)構(gòu)的固有頻率，而且隨 著外加電壓的變化，伸長長度和內(nèi)應力大小也會發(fā)生相應的變化，進而引起頻率的改變。本發(fā)明選用了 parylene聚合物薄膜作為聚合物結(jié)構(gòu)層功能材料，充分利用了它 膨脹系數(shù)大、熱導率低(parylene C的熱導率僅為0. 082W/m ·Κ)的特點。聚合物結(jié)構(gòu)層膨 脹系數(shù)大，可以在很小的熱量作用下產(chǎn)生較大程度的拉伸，這可以大大提高懸臂梁的彎曲 程度和拉伸長度；熱導率低，意味著懸臂梁上很容易產(chǎn)生較大溫度梯度，這可以使彎曲程度 更加明顯，有利于增加膜應力。本發(fā)明主要采用了三明治式三層膜結(jié)構(gòu)，比以往只用單層膜具有更大的驅(qū)動能 力，而且可輕松實現(xiàn)向上翹曲、向下翹曲和向前伸展等運動，懸臂梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部特性變化大， 因而有更大的調(diào)頻范圍；本發(fā)明選用了 parylene聚合物薄膜作為作為中間結(jié)構(gòu)層功能材 料，比一般用金屬氧化物具有更好的性能，其熱膨脹系數(shù)大、熱導率低等優(yōu)點，有利于膜內(nèi) 應力進一步增大；本發(fā)明采用上下兩路電阻絲層將聚合物包裹并緊密接觸，可以提高懸臂 梁的剛度和抗變形能力，可以有效防止懸臂梁在釋放過程中的垮塌；本發(fā)明的能量采集器 的拾振磁體可以直接用粘結(jié)磁體手工裝配，也可以在上路電阻絲層上用粘結(jié)磁體微結(jié)構(gòu)圖 形化的方法利用光刻、涂覆和刻蝕等工藝直接集成；本發(fā)明整個器件可以利用微加工工藝 一次性集成制造，省去了一般微型能量采集器均需手工裝配的煩惱，制備工序少，成本低 廉，便于集成和批量生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實施例中下路電阻絲層結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為實施例中聚合物結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為實施例中上路電阻絲層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1所示，本實施例包括基座1、支撐塊2、下路電阻絲層3、聚合物結(jié)構(gòu)層4、上 路電阻絲5、聚酰亞胺絕緣層6和拾振磁體7，其中基座1位于玻璃圓片或硅片的基底上， 支撐塊2和下路電阻絲層3位于基座的上面，兩者平面上交錯排布，支撐塊2鑲嵌于下路電 阻絲層3空隙處。下路電阻絲層3的條狀平行電阻絲伸出懸空。聚合物結(jié)構(gòu)層4位于支撐 塊2和下路電阻絲3上面，其中一端通過支撐塊2固定，另一端伸出懸空。上路電阻絲層5 淀積在聚合物結(jié)構(gòu)層4的上面，并旋涂了一層聚酰亞胺絕緣層5用于絕緣支撐作用，二者和 聚合物結(jié)構(gòu)層4、下路電阻絲層3緊密相連，形成三層膜的三明治結(jié)構(gòu)。如圖2所示，是本實施例中支撐塊2和下路電阻絲層3的結(jié)構(gòu)示意圖，支撐塊的形 狀不限，主要作用是固定上面的聚合物結(jié)構(gòu)層4的末端。下路電阻絲層3的末端電極固定 在基座1上，電阻絲部分是平行的電阻條，延伸出去構(gòu)成懸梁。電阻條的形狀也可以是繞曲
5的蛇形彈簧形狀等，但是為了確保足夠的發(fā)熱量，電阻條的線寬控制在5-30微米之間。如圖3所示，是本實施例中聚合物結(jié)構(gòu)層4的結(jié)構(gòu)示意圖。聚合物結(jié)構(gòu)層4是具有 固定末端的懸臂梁，固定末端在支撐塊2上面，懸臂梁部分受到下路電阻絲層3和上路電阻 絲層5、聚酰亞胺絕緣層6的包裹，構(gòu)成一種復合結(jié)構(gòu)的懸臂梁。聚合物結(jié)構(gòu)層懸梁部分的 長度影響了該懸臂梁結(jié)構(gòu)具有的末端位移和內(nèi)應力，結(jié)合工藝條件考慮，長度為500-3000 微米，寬100-1000微米，厚度為10-100微米。如圖4所示，是本實施例上路電阻絲5和聚酰亞胺絕緣層6組成的上路電阻絲層 結(jié)構(gòu)示意圖。與下路電阻絲層3相似，上路電阻絲5的末端電極固定在聚合物結(jié)構(gòu)層4上， 電阻絲部分可以是平行的電阻條，也可以是繞曲的蛇形彈簧形狀等，但是為了確保足夠的 發(fā)熱量，電阻條的線寬控制在5-30微米之間。本實施例采用UV-LIGA工藝制備，具體的微加工工藝1、準備玻璃圓片或者硅片作為基底。2、濺射鉻/銅電鍍種子層。3、甩SU-8膠，并圖形化，程控堅膜后作為驅(qū)動器基座。4、電鍍銅作為犧牲層，電鍍至高度與SU-8膠齊平。5、濺射鉻/銅電鍍種子層。6、甩光刻膠，并圖形化，電鍍鎳形成支撐塊和下路電阻絲。7、沉積parylene作為聚合物驅(qū)動層。8、甩光刻膠，并圖形化，作為RIE刻蝕的掩膜。9、RIE刻蝕parylene，形成圖形化的聚合物驅(qū)動層。10、濺射鉻/銅電鍍種子層。11、甩光刻膠，并圖形化，電鍍鎳形成上路電阻絲。12、旋涂聚酰亞胺絕緣層，并在其上粘結(jié)或制備粘結(jié)磁體。13、去膠，去電鍍種子層，去犧牲層，并最終釋放器件。本實施例針對以往基于壓電驅(qū)動的能量采集器具有的制作結(jié)構(gòu)復雜，輸出功率 低，變頻范圍小的缺點，提出了一種可以完全集成制造的可調(diào)頻微型振動能量采集器，具有 結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，便于集成和批量生產(chǎn)的優(yōu)點。
權(quán)利要求
一種基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻微型振動能量采集器，包括基座、支撐塊、下路電阻絲層、聚合物結(jié)構(gòu)層、上路電阻絲層和拾振磁體，其特征在于基座、下路電阻絲層、聚合物結(jié)構(gòu)層、上路電阻絲層和拾振磁體依次由下而上固定設置，上路電阻絲層和下路電阻絲層的懸空部分分別包裹于聚合物結(jié)構(gòu)層的懸梁部分并形成三層膜的三明治結(jié)構(gòu)，拾振磁體位于三明治結(jié)構(gòu)上方的頂端并與上路電阻絲層緊密相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻微型振動能量采集器，其特征是，所 述的上路電阻絲層包括電鍍鎳或銅制備的金屬懸臂梁結(jié)構(gòu)和旋涂的聚酰亞胺層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻微型振動能量采集器，其特征是，所 述的下路電阻絲層是由電鍍鎳或銅制備得到的金屬懸臂梁結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻微型振動能量采集器，其特征是， 所述的金屬懸臂梁結(jié)構(gòu)包括依次連接的電極、支撐塊和電阻條，其中電極作為固定末端 與支撐塊一起位于基座的上表面，平行條狀排布的電阻條延伸至基座外部作為懸臂梁懸 空。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻微型振動能量采集器，其特征是，所 述的電阻條為細條狀結(jié)構(gòu)或繞曲的蛇形彈簧結(jié)構(gòu)，在電極受到電信號后能夠產(chǎn)生焦耳熱， 使下路電阻絲層發(fā)熱，并傳至其上面的聚合物結(jié)構(gòu)層。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻微型振動能量采集器，其特征是，所 述的支撐塊是電鍍金屬塊，該支撐塊鑲嵌于上路電阻絲層或下路電阻絲層中起到支撐保護 作用。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻微型振動能量采集器，其特征是，所 述的聚合物結(jié)構(gòu)層是圖形化的parylene聚合物薄，該聚合物結(jié)構(gòu)層一端的固定部分通過 支撐塊固定，另一端的懸梁部分伸出支撐塊并懸空。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻微型振動能量采集器，其特征是，所 述的電阻條，長為500-3000微米，寬為5-30微米，厚度為2_10微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻微型振動能量采集器，其特征是，所 述的聚合物結(jié)構(gòu)層的懸空部分長度為500-3000微米，寬100-1000微米，厚度為10-100微 米。
全文摘要
一種微機電技術(shù)領域的基于電熱驅(qū)動的可調(diào)頻微型振動能量采集器，包括基座、支撐塊、下路電阻絲層、聚合物結(jié)構(gòu)層、上路電阻絲層和拾振磁體，基座、下路電阻絲層、聚合物結(jié)構(gòu)層、上路電阻絲層和拾振磁體依次由下而上固定設置，上路電阻絲層和下路電阻絲層的懸空部分分別包裹于聚合物結(jié)構(gòu)層的懸梁部分并形成三層膜的三明治結(jié)構(gòu)，拾振磁體位于三明治結(jié)構(gòu)上方的頂端并與上路電阻絲層緊密相連。本發(fā)明利用上下兩路平行排布的金屬電阻絲層和中間包夾的熱絕緣性聚合物層組成的三明治結(jié)構(gòu)作為懸臂梁來實現(xiàn)調(diào)頻功能，以充分發(fā)揮聚合物結(jié)構(gòu)伸長大、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，以實現(xiàn)對懸臂梁的長度、剛度、應力調(diào)節(jié)。本發(fā)明整個結(jié)構(gòu)均可采用標準微加工工藝，與IC工藝相兼容，易于批量化加工。
文檔編號H02K35/02GK101951111SQ201010289298
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月22日
發(fā)明者丁桂甫, 吳義伯, 楊卓青, 王文君, 蔡方偉, 陶凱 申請人:上海交通大學