[發明專利]基于MEMS的平面振動雙螺旋壓電換能器

無效

• 申請號: 200910111640.9
• 申請日: 2009-04-30
• 公開（公告）號: CN101546965A
• 公開（公告）日: 2009-09-30
• 發明（設計）人: 董濤;楊朝初;牛群峰;王莉;魏孔軍;張玉龍
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H02N2/00
• 分類號: H02N2/00
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種換能器，尤其是涉及一種基于微機電系統(MEMS)技術，主要應用于環境中的低頻振動能量收集，還可用于慣性傳感器、加速計、陀螺儀、作動器等的平面振動雙螺旋壓電換能器。

背景技術

目前廣泛研究的換能器從工藝制備上分為非MEMS換能器與MEMS換能器。采用MEMS工藝的換能器在收集環境中低頻振動中的有效能量時，換能器較高的固有頻率與環境中低頻振動源的匹配性，是制約器件得以實現的關鍵問題。解決這一問題的途徑之一，是通過壓電材料與硅微機械結構的耦合設計來實現。這種壓電型換能器的結構通常采用如下步驟獲得：把一層壓電薄膜覆蓋在金屬梁或平板上，在梁的末端加載一定重量的質量塊來降低諧振頻率，通過梁的振動，拾取梁上壓電薄膜的應力應變產生的電荷。但是，采用此方法存在如下挑戰：

1)壓電型MEMS換能器需要工作于諧振狀態以產生足夠大的機械應力和應變轉換為電能，因此要求器件的機械結構有足夠低的諧振頻率與振動源相匹配；

2)質量塊的位移應盡可能地大；

3)整個器件應產生一致的應力和應變以便于獲得最大的機電耦合；

4)壓電層的覆蓋面積應盡可能地大，以便于拾取最多的電荷；

5)選擇的壓電材料要有高的機電耦合系數、壓電系數等性能參數，制造工藝相對成熟，可與MEMS結構良好兼容等優點；

6)材料的壓電模式應產生大的機電耦合特性；

7)輸出性能穩定。

在前期研究中，壓電型MEMS換能器結構形式多為懸臂梁式([1]S?P?Beeby，M?J?Tudor?andN?M?White.Energy?harvesting?vibration?sources?for?Microsystems?applications.Meas.Sci.Technol.17：R175-R195，2006；[2]Y.Jeon，R.Sood，J.Jeong?and?S.Kim，”MEMS?power?generator?withtransverse?mode?thin?film?PZT”，Sensors?and?Actuators?A：Physical，vol.122，pp.16-22，2005；[3]SRoundy，P?K?Wright?and?J?M?Rabaey.Energy?Scavenging?for?Wireless?Sensor?Networks.Norwell，MA：Kluwer-Academic，2003)，在梁的尾端加載較大的質量塊。這種結構雖然能夠通過增加懸臂梁自由端集中質量或梁長高比來降低換能器的固有頻率，但易導致梁的抗彎剛度不夠而穩定性差，進而機電耦合特性下降。這種結構的補救措施可將懸臂梁設計成錐狀，但因此又會導致失去大量有效可使用的能量收集面積，從而導致輸出功率降低。

換能器的實現有兩種工作模式，d31(壓電材料外部施加的應力方向3與極化方向1垂直)壓電模式和d33(壓電材料外部施加的應力方向3與極化方向3一致)壓電模式([4]N?J?Kidner，Z?J?Homrighaus，T?O?Mason，E?J?Garboczi.Modeling?interdigital?electrode?structures?for?thedielectric?characterization?of?electroceramic?thin?films.Thin?Solid?Films，496：539-545，2006)。d31模式下，壓電材料的電極為平板式電極，外部振動引起的應力和機械形變與產生的電場方向相互垂直；d31模式實現的作動器/傳感器通用方法：將壓電薄膜平敷于兩個導電層之間，即壓電層。導電層和壓電層再置于整個結構材料上。但是，存在如下問題：1)壓電薄膜瘦長，輸出電壓較低；2)相似尺寸的壓電材料，d33模式的開路電壓能夠比d31模式高很多。d33模式下，壓電材料的電極為表面叉指電極，外部振動引起應力和機械形變與產生的電場方向相同。考慮d33模式的叉指電極采集電荷的面積遠小于d31模式的平板電極，因此，在采集電荷量的性能上d31模式仍優于d33模式。