本發(fā)明涉及能量采集技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種振動式能量采集器及其制備方法。

背景技術(shù)：

振動式能量采集器是能量采集器中的一種，它可以將自然界普遍存在的機械振動能量轉(zhuǎn)換為電能，進而不間斷地為各種低功耗電子元件或者微系統(tǒng)供電。傳統(tǒng)的振動式能量采集器具有固定的共振頻率。而在許多情況下，振動源通常工作在一個特殊的頻率范圍，或者工作在一個隨機振動頻率范圍內(nèi)。當(dāng)振動源頻率偏離振動式能量采集器的共振頻率時，會導(dǎo)致能量采集效率降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，有必要提供一種工作頻率較寬且能量采集效率較高的振動式能量采集器及其制備方法。

一種振動式能量采集器，包括偏置電壓生成裝置、至少兩個層疊設(shè)置的運動極板以及設(shè)置在兩個所述運動極板之間且用于使得相鄰兩個所述運動極板在無外力作用下保持預(yù)設(shè)間距的隔離裝置；每個所述運動極板均包括支撐構(gòu)件、運動質(zhì)量塊和電極層；所述支撐構(gòu)件設(shè)置在所述運動質(zhì)量塊的外圍并對所述運動質(zhì)量塊進行支撐；所述電極層設(shè)置在每個運動極板上與相鄰運動極板相對的表面上；所述隔離裝置設(shè)置在所述支撐構(gòu)件上；所述偏置電壓生成裝置位于相鄰兩個所述運動極板之間且設(shè)置在其中一個的電極層表面；所述偏置電壓生成裝置用于在相鄰兩個所述運動極板之間形成固定電場。

在其中一個實施例中，所述支撐構(gòu)件和所述運動質(zhì)量塊均由硅基材料制成。

在其中一個實施例中，所述偏置電壓生成裝置為駐極體；所述駐極體上存在電荷分布從而為相鄰兩個運動極板提供偏置電壓。

在其中一個實施例中，所述支撐構(gòu)件包括支撐主體和懸臂梁結(jié)構(gòu)；所述支撐主體為中空結(jié)構(gòu)，用于放置所述運動質(zhì)量塊；所述懸臂梁結(jié)構(gòu)分布與所述支撐主體、所述運動質(zhì)量塊連接。

在其中一個實施例中，所述隔離裝置為絕緣層。

在其中一個實施例中，所述電極層為金屬層或硅基導(dǎo)電材料層。

在其中一個實施例中，所述運動質(zhì)量塊上與相鄰運動質(zhì)量塊相對的一面上設(shè)置有凸點；所述運動質(zhì)量塊上的凸點在所述運動質(zhì)量塊不受外力時不與相鄰的運動質(zhì)量塊接觸。

一種振動式能量采集器的制備方法，包括步驟：制備至少兩個運動極板；每個所述運動極板均包括支撐構(gòu)件、運動質(zhì)量塊和電極層；所述支撐構(gòu)件設(shè)置在所述運動質(zhì)量塊的外圍并對所述運動質(zhì)量塊進行支撐；所述電極層設(shè)置在每個運動極板上與相鄰運動極板相對的表面上；提供偏置電壓生成裝置；所述偏置電壓生成裝置用于在相鄰兩個所述運動極板之間形成固定電場；以及通過隔離裝置將至少兩個運動極板層疊設(shè)置；所述隔離裝置用于使得相鄰兩個所述運動極板在無外力作用下保持預(yù)設(shè)間距；所述隔離裝置設(shè)置在所述支撐構(gòu)件上；所述偏置電壓生成裝置位于相鄰兩個所述運動極板之間且設(shè)置在其中一個的電極層表面。

在其中一個實施例中，所述制備運動極板的步驟包括：提供兩面形成有二氧化硅層的晶片；在所述晶片兩面形成光刻膠，并對晶片正面的光刻膠進行光刻以獲得結(jié)構(gòu)圖形；以所述光刻膠為掩膜層，對所得的結(jié)構(gòu)圖形進行濕化學(xué)刻蝕，以去除晶片正面裸露的二氧化硅層后將光刻膠去除，形成由二氧化硅組成的結(jié)構(gòu)圖形；以二氧化硅為掩膜層，對所得的結(jié)構(gòu)圖形進行濕化學(xué)刻蝕，刻蝕單晶硅直至剩余單晶硅的厚度達到目標厚度；在所述晶片反面形成光刻膠，并進行刻蝕以獲得結(jié)構(gòu)圖形；以光刻膠為掩膜層，采用等離子體干法刻蝕的方法，去除晶片反面裸露的二氧化硅層，并去除所述光刻膠；以二氧化硅為掩膜層，對晶片正面和反面同時進行濕化學(xué)刻蝕，刻穿所述晶片從而形成支撐構(gòu)件和運動質(zhì)量塊；以及在所述晶片的表面形成一層金屬層作為電極層。

在其中一個實施例中，所述提供偏置電壓生成裝置的步驟包括：在所述電極層表面形成一層駐極體；對所述駐極體進行充電以使得所述駐極體上存在電荷分布。

上述振動式能量采集器，包括至少兩個層疊設(shè)置的運動極板，相鄰運動極板之間通過隔離裝置形成預(yù)設(shè)間距，且每個所述運動極板均包括支撐構(gòu)件、運動質(zhì)量塊和電極層。因此，在外部振動源的作用下，各運動極板發(fā)生相互碰撞，由于碰撞耦合現(xiàn)象可以拓寬器件的輸出頻帶，從而使得振動式能量采集器具有較寬的工作頻率，進而提高器件在該頻率范圍內(nèi)的能量輸出效率，提高能量采集效率。

附圖說明

圖1為一實施例中的振動式能量采集器的主視圖；

圖2為圖1中的振動式能量采集器的爆炸圖；

圖3為圖1中的振動式能量采集器的剖視圖；

圖4為一實施例中的振動式能量采集器測試電路示意圖；

圖5為一實施例中的振動式能量采集器工作時最佳負載電阻的測試曲線；

圖6為一實施例中的振動式能量采集器在外部負載阻值是20MΩ時，正弦驅(qū)動信號頻率從125Hz到200Hz變化時的輸出功率變化曲線；

圖6a～6f為圖6中，振動式能量采集器在180Hz時，不同加速度下的電壓輸出曲線；

圖7為一實施例中的振動式能量采集器的制備方法的流程圖；

圖8為圖7中步驟S710的具體流程圖；

圖9a～9h為圖8中的制備流程對應(yīng)的器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1為一實施例中的振動式能量采集器的主視圖。圖2為圖1中的振動式能量采集器的爆炸圖，圖3則為圖1中的振動式能量采集器的剖視圖。該振動式能量采集器為靜電式，用于將振動能量轉(zhuǎn)換為電能進行存儲或者向外供電。參見圖1～3，該振動式能量采集器包括兩個運動極板110和120、位于兩個運動極板之間的隔離裝置200和偏置電壓生成裝置300。

運動極板110和運動極板120層疊相對設(shè)置，從而形成一個變間距式可變電容結(jié)構(gòu)。其中，運動極板110作為下級板，運動極板120則作為上極板。運動極板110和運動極板120的結(jié)構(gòu)相似，二者可以具有相同的諧振頻率，也可以具有不同的諧振頻率。在本實施例中，運動極板110和運動極板120均包括支撐構(gòu)件112、運動質(zhì)量塊114和電極層116。支撐構(gòu)件112設(shè)置在運動質(zhì)量塊114的外圍，并對運動質(zhì)量塊114進行支撐，以使得運動質(zhì)量塊114在外力作用下能夠產(chǎn)生振動。在本實施例中，支撐構(gòu)件112和運動質(zhì)量塊114均為硅基材料構(gòu)成，且為一體結(jié)構(gòu)。支撐構(gòu)件112和運動質(zhì)量塊114均由單晶硅10以及形成于單晶硅10兩面的二氧化硅層20構(gòu)成。在其他的實施例中，支撐構(gòu)件112和運動質(zhì)量塊114也可以為獨立結(jié)構(gòu)并通過鍵和技術(shù)進行相互連接。支撐構(gòu)件112包括支撐主體1122和懸臂梁結(jié)構(gòu)1124。支撐主體1122為中空結(jié)構(gòu)，用于放置運動質(zhì)量塊114。懸臂梁結(jié)構(gòu)1124分別與支撐主體1122和運動質(zhì)量塊114連接，從而實現(xiàn)對運動質(zhì)量塊114的支撐。在本實施例中，設(shè)置有四個懸臂梁結(jié)構(gòu)1124，且四個懸臂梁結(jié)構(gòu)1124對稱分布于支撐主體1122上。在其他的實施例中，懸臂梁結(jié)構(gòu)1124可以根據(jù)運動質(zhì)量塊114的質(zhì)量以及大小進行設(shè)置，而并不限于本實施例中的具體結(jié)構(gòu)。支撐構(gòu)件112中的懸臂梁結(jié)構(gòu)1124的長度、厚度以及寬度會影響器件的諧振頻率，因此可以根據(jù)需要進行設(shè)計。在本實施例中，運動質(zhì)量塊114上還設(shè)置有多個凸點1142。多個凸點1142的高度滿足振動式能量采集器在不受到外力作用時，凸點1142不與相鄰的運動質(zhì)量塊114接觸即可。運動質(zhì)量塊114上的凸點1142僅設(shè)置在于運動極板110和120的兩個相對面上，從而可以避免運動極板110和120之間因為靜電吸附力而相互接觸粘附的情況發(fā)生。凸點1142在運動質(zhì)量塊114的表面呈中心對稱分布，以確保受力均勻。電極層116覆蓋在運動極板110和120上與另一運動極板相對的一面。電極層116可以為金屬層。金屬層生長方式可以是磁控濺射、蒸鍍、電鍍等。在其他的實施例中，電極層116也可以為硅基導(dǎo)電材料層。

隔離裝置200設(shè)置在運動極板110和120之間，使得運動極板110和運動極板120在無外力作用下保持預(yù)設(shè)間距。隔離裝置200固定在支撐構(gòu)件112上，且分別與運動極板110和120接觸。在本實施例中，隔離裝置200采用具有預(yù)設(shè)高度的絕緣層，例如可以為亞克力材料層。通過調(diào)整隔離裝置200也即絕緣層的厚度可以實現(xiàn)對運動極板110和運動極板120之間的初始間距的控制。

偏置電壓生成裝置300用于生成偏置電壓以在運動極板110和運動極板120之間形成固定電場。在本實施例中，偏置電壓生成裝置300設(shè)置在運動極板110和運動極板120之間。具體地，偏置電壓生成裝置300設(shè)置在運動極板110的運動質(zhì)量塊114上，且位于運動質(zhì)量塊114上與運動極板120相對的一面。當(dāng)周圍環(huán)境的振動驅(qū)使運動極板110或者運動極板120上運動質(zhì)量塊114發(fā)生運動時，會導(dǎo)致運動極板110和運動極板120之間的間距發(fā)生變化。此時，極板之間的固定電場就會發(fā)生變化，繼而對外輸出電能，實現(xiàn)振動能量到電能的轉(zhuǎn)換，完成對振動能量的采集。在本實施例中，偏置電壓生成裝置300為駐極體。駐極體覆蓋在運動極板的運動質(zhì)量塊114表面。駐極體可以駐存電荷，以形成固定電場，從而為運動極板110和運動極板120提供偏置電壓。駐極體可以采用無極駐極體材料或者有機駐極體材料，涂覆方式可以采用旋涂或者噴涂。駐極體上駐存電荷的極性可以為負也可以為正。駐極體在制備完成后需要充電才能存在電荷分布?？梢圆捎秒姇灣潆姷姆椒▽︸v極體進行充電。充電時，運動極板110上裸露的電極層116接地，電暈充電尖端施加高電壓，電荷會在強電場的作用下遷移到駐極體表面及內(nèi)部，形成穩(wěn)定的高密度固定電荷(此電荷的極性取決于電暈充電尖端電壓的極性)。此高密度穩(wěn)定的固定電荷可為相鄰兩運動極板(也即可變電容)提供偏置電壓。在本實施例中，駐極體在運動極板110的制備過程同時制備完成。在其他的實施例中，也可以不設(shè)置駐極體，而采用外置的偏置電壓生成裝置為相鄰兩運動極板提供偏置電壓，進而使得極板之間形成固定電場。

上述振動式能量采集器，包括有兩個層疊設(shè)置運動極板110和120，相鄰運動極板之間通過隔離裝置200形成預(yù)設(shè)間距，且每個運動極板均包括支撐構(gòu)件112、運動質(zhì)量塊114和電極層116。因此，在外部振動源的作用下，各運動極板發(fā)生相互碰撞，由于碰撞耦合現(xiàn)象可以拓寬器件的輸出頻帶，從而使得振動式能量采集器具有較寬的工作頻率，進而提高器件在該頻率范圍內(nèi)的能量輸出效率，提高能量采集效率。上述振動式能量采集器，通過對運動極板110和120的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整即可實現(xiàn)對其自身工作頻率范圍的調(diào)整。

在其他的實施例中，運動極板的數(shù)量可以為多個。多個運動極板相互層疊設(shè)置，且相鄰兩運動極板之間通過隔離裝置進行隔離支撐。偏置電壓生成裝置則設(shè)置在兩相對的運動極板之間，用于為相鄰運動極板提供偏置電壓。相對的兩個運動極板之間的表面都設(shè)置有電極層，且至少一個運動質(zhì)量塊的相對面上設(shè)置有凸點，以防止兩相鄰運動極板之間出現(xiàn)靜電吸附現(xiàn)象。

為進一步說明本實施例中的振動式能量采集器的具有寬頻輸出的性能，下面結(jié)合一具體實施例來進行說明。本實施例所選取器件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其包括上下兩個運動極板。該振動式能量采集器的質(zhì)量關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：上下極板間初始間距為150μm、上極板諧振頻率為148.8Hz、下極板諧振頻率為183.3Hz、駐極體表面電勢大約-420V。圖4為振動式能量采集器的測試電路示意圖，其測試原理為：器件工作時，記錄電阻R0兩端的電壓值，然后經(jīng)過計算得出電阻(R1+R0)上所消耗的功率，即為器件對外輸出的功率值。其次，外加正弦振動，通過調(diào)節(jié)可變電阻R1，尋找當(dāng)器件輸出功率最大時，最佳的負載阻值(R1+R0)。然后固定負載阻值，逐漸改變正弦振動頻率，進行掃頻測試。以下結(jié)合附圖對測試結(jié)果進行說明。圖5為一實施例中的振動式能量采集器工作時最佳負載電阻的測試曲線。隨機選取外部正弦驅(qū)動信號頻率f為183Hz，驅(qū)動加速度均方根a_RMS為2.0m/s²，改變負載阻值范圍1MΩ～51MΩ，測出最大輸出功率對應(yīng)的負載電阻是20MΩ。圖6為一實施例中的振動式能量采集器在外部負載阻值是20MΩ時，正弦驅(qū)動信號頻率從125Hz到200Hz變化時的輸出功率變化曲線，分別選取了六種振動加速度：2.8m/s²，4.2m/s²，5.6m/s²，7.0m/s²，8.4m/s²，9.8m/s²。結(jié)果顯示在兩個諧振峰之間明顯出現(xiàn)了高的功率輸出，并且隨著加速度的增加，功率輸出值增大。從圖6中選取的180Hz時，加速度2.8m/s²，4.2m/s²，5.6m/s²，7.0m/s²，8.4m/s²，9.8m/s²下的電壓輸出曲線(分別對應(yīng)圖6a～圖6f)可以看出，當(dāng)加速度增加到大約5.6m/s²時，電壓曲線開始發(fā)生扭曲，說明器件上下極板間發(fā)生了碰撞，由于碰撞引起的耦合作用，導(dǎo)致器件兩個諧振峰之間也出現(xiàn)了高功率輸出，實現(xiàn)了器件整體工作頻率拓寬的目的。本實施例中，器件的帶寬成功拓寬到中心頻率的30％。器件在大約1g的加速度下，從141.6Hz到191.1Hz寬頻范圍內(nèi)的輸出功率是1.06μW～3.24μW。顯然，上述振動式能量采集器能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻輸出且具有較高的能量采集效率。

本發(fā)明還提供一種振動式能量采集器的制備方法，用于制備上述振動式能量采集器。在本實施例中，該制備方法采用MEMS微加工工藝來制備。圖7為一實施例中的振動式能量采集器的制備方法的流程圖，包括以下步驟：

S710，制備運動極板。

根據(jù)運動極板的結(jié)構(gòu)需求制備運動極板。運動極板的制備流程如圖8所示，包括以下子步驟。

S802，提供兩面形成有二氧化硅層的晶片。

將一塊兩面氧化拋光的硅(100)晶片進行標準的清洗，得到潔凈的晶片，如圖9a所示。

S804，在晶片兩面形成光刻膠，并對晶片正面的光刻膠進行光刻以獲得結(jié)構(gòu)圖形。

在本實施例中，以晶片的一面為正面，則相對面為反面。在晶片正面旋涂光刻膠，并采用光刻工藝，獲得由光刻膠形成的微結(jié)構(gòu)圖形。在晶片反面旋涂光刻膠以保護反面的二氧化硅層。制備完成的結(jié)構(gòu)如圖9b所示。

S806，以光刻膠為掩膜層，對所得的結(jié)構(gòu)圖形進行濕化學(xué)刻蝕，以去除晶片正面裸露的二氧化硅層并去除光刻膠，形成由二氧化硅組成的結(jié)構(gòu)圖形。

以光刻膠為掩膜層，對所得的微結(jié)構(gòu)圖形進行BOE(Buffered Oxide Etchant，緩沖蝕刻液)濕化學(xué)刻蝕，去除晶片正面裸露的二氧化硅層后將晶片兩面的光刻膠去除，從而形成由二氧化硅組成的微結(jié)構(gòu)圖形，如圖9c所示。

S808，以二氧化硅為掩膜層，對所得的結(jié)構(gòu)圖形進行濕化學(xué)刻蝕，刻蝕單晶硅直至剩余單晶硅的厚度達到目標厚度。

以二氧化硅為掩膜層，對所得的微結(jié)構(gòu)圖形進行氫氧化鉀(KOH)濕化學(xué)刻蝕，刻蝕一定深度的單晶硅?？涛g深度和支撐構(gòu)件的懸臂梁結(jié)構(gòu)的厚度有關(guān)，通?？涛g后留下的單晶硅的厚度為懸臂梁結(jié)構(gòu)厚度的兩倍。圖9d為完成S808后器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

S810，在晶片反面形成光刻膠，并進行刻蝕以獲得結(jié)構(gòu)圖形。

在晶片反面旋涂光刻膠，采用光刻工藝，獲得由光刻膠形成的微結(jié)構(gòu)圖形，如圖9e所示。

S812，以光刻膠為掩膜層，采用等離子體干法刻蝕的方法，去除晶片反面裸露的二氧化硅層，并去除光刻膠。圖9f為完成步驟S812后的結(jié)構(gòu)示意圖。

S814，以二氧化硅為掩膜層，對晶片正面和反面同時進行濕化學(xué)刻蝕，刻穿晶片從而形成支撐構(gòu)件和運動質(zhì)量塊。

以二氧化硅做掩膜層，對晶片正反兩面同時進行KOH濕化學(xué)刻蝕，刻穿晶片，釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)，完成四懸臂梁-運動質(zhì)量塊的加工。在本實施例中，運動質(zhì)量塊上設(shè)計了凸點。凸點可以避免器件工作時，由于靜電吸附作用導(dǎo)致變間距式可變電容的兩極板粘附在一起無法分開而損壞器件。圖9g為完成S814后器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

S816，在晶片的表面形成一層金屬層作為電極層。

在有凸點的一側(cè)測控濺射一層金屬，作為運動極板的電極。在其他的實施例中，也可以采用蒸鍍和電鍍等方式進行制備。圖9h為完成S816后器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

完成S816即完成了運動極板的制備。

S720，提供偏置電壓生成裝置。

偏置電壓生成裝置用于為相鄰兩運動極板之間提供固定電場。在本實施例中，偏置電壓生成裝置采用駐極體。駐極體設(shè)置在相鄰兩運動極板之間，且設(shè)置在其中一個運動質(zhì)量塊表面。也即，在S816制備得到的運動極板的基礎(chǔ)上，再在相鄰的兩運動極板中的其中一個運動極板的電極層表面形成一層駐極體，然后對駐極體充電以使得在駐極體上存在電荷分布即可?？梢酝ㄟ^電暈充電的方式為運動極板表面的駐極體材料充電，使得駐極體上存在電荷分布，從而形成固定電場。

S730，通過隔離裝置將至少兩個運動極板層疊設(shè)置。

隔離裝置用于使得相鄰兩個運動極板在無外力作用下保持預(yù)設(shè)間距。隔離裝置設(shè)置在支撐構(gòu)件上，且分別與相鄰的兩個運動極板接觸。在本實施例中，隔離裝置采用具有預(yù)設(shè)高度的絕緣層，例如可以為亞克力材料層。通過調(diào)整隔離裝置也即絕緣層的厚度可以實現(xiàn)對兩運動極板之間的間距的控制。偏置電壓生成裝置位于相鄰兩個運動極板之間且設(shè)置在其中一個運動質(zhì)量塊表面。

制備得到的振動式能量采集器的剖視圖如圖3所示。

從上述制備方法可以看出，運動極板的制備過程包括的都是簡單且重復(fù)的工藝步驟，適合大規(guī)模低成本生產(chǎn)。構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整和修改。例如，運動極板上的支撐構(gòu)件如懸臂梁的長度、厚度以及寬度會影響器件的諧振頻率，因此可以根據(jù)需要進行設(shè)計。并且，將MEMS微加工工藝與靜電式振動能量采集器結(jié)合，可以制造出微小型化能量采集器。

以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。