[實(shí)用新型]一種多懸臂寬頻MEMS壓電俘能器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201220555946.0
• 申請(qǐng)日: 2012-10-26
• 公開（公告）號(hào): CN203278696U
• 公開（公告）日: 2013-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚峰林;高世橋;劉海鵬;牛少華;李平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18;H02J7/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種多懸臂寬頻MEMS壓電俘能器，屬于微機(jī)械電子技術(shù)領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

新能源問題是許多領(lǐng)域面臨的問題，微機(jī)電系統(tǒng)的能源也是如此。隨著慣性測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，獨(dú)立無線使用的微慣性測(cè)量系統(tǒng)越來越多，如建筑物，橋梁，人行天橋的無線監(jiān)控傳感器，彈道簡(jiǎn)易修正用的微陀螺慣性測(cè)量組件等。這時(shí)的微慣性測(cè)量系統(tǒng)往往不與大系統(tǒng)有線相連，但又要用電。系統(tǒng)用的電量也許并不大，但卻要長(zhǎng)間的供電。系統(tǒng)本身的體積很小，所需要的空間也很小，但卻離不開電源。對(duì)此，傳統(tǒng)的供電方式產(chǎn)生了許多問題。?

（1）由于空間狹小，而傳統(tǒng)電池的體積相對(duì)又比較大。因此，采用傳統(tǒng)電池供電，在空間上會(huì)大幅度限制其系統(tǒng)的植入。?

（2）傳統(tǒng)電池的能量密度較低。目前，電池的能量密度最大為3.78kJ/cm³左右，這就意味著一個(gè)1mW的低能耗電子器件，需要100cm³的電池才能維持能量供給。因此，當(dāng)利用傳統(tǒng)電池為微機(jī)電器件供能時(shí)，電池的這種缺陷十分明顯。這在很大程度上限制了它們?cè)谡w上的實(shí)用化、微型化和集成化。如果通過對(duì)現(xiàn)有電源在體積上單純縮小來完成微型化，由于能量密度較低，簡(jiǎn)單縮小后能量密度更低，壽命有限，輸出總能量無法滿足微機(jī)電陀螺或微系統(tǒng)單獨(dú)供電的需求。?

（3）傳統(tǒng)電池?zé)o法長(zhǎng)期儲(chǔ)存。眾所周知，傳統(tǒng)化學(xué)電池即使在不使用的情況下，其能量也會(huì)隨著時(shí)間逐漸釋放，并且易出現(xiàn)漏液等現(xiàn)象，從而影響整個(gè)微慣性系統(tǒng)的可靠性和安全性。需要定期更換，更換成本相對(duì)較高，會(huì)無端增加系統(tǒng)的維護(hù)和使用成本，同時(shí)也會(huì)造成對(duì)環(huán)境的污染。當(dāng)前，產(chǎn)品小型化、微型化、集成化是當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)，能源供應(yīng)已成為制約產(chǎn)品微型化技術(shù)發(fā)展的瓶頸，其微型化問題受到廣泛的重視。隨著MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）電子芯片技術(shù)的發(fā)展，使各類微小傳感器、微小執(zhí)行器和其它微小型裝置不斷涌現(xiàn)，它們的體積遠(yuǎn)小于1cm³，壽命卻達(dá)到數(shù)年甚至數(shù)十年時(shí)間，要求有相應(yīng)壽命的微電源與其匹配。因此，如何向微電子產(chǎn)品無線供能已經(jīng)成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。一種比較有效的替代傳統(tǒng)電池的方法就是直接從環(huán)境中提取能量來供給這類器件工作，這類能無線供能的裝置稱為俘能器。?

從20世紀(jì)90年代初，國(guó)際上也已逐步開展了針對(duì)MEMS使用的微電池研究。根據(jù)對(duì)文獻(xiàn)資料的分析，國(guó)際上目前已開展研究的微電池主要有微型鋅鎳?電池、微型固體電解質(zhì)鋰電池、微型太陽能電池、微型溫差電池等。但這些電池用于微慣性系統(tǒng)也存在類似傳統(tǒng)電池的問題，如微型鋅鎳電池、微型固體電解質(zhì)鋰電池也存在不能長(zhǎng)期儲(chǔ)存及老化等問題；微型太陽能電池及微型溫差電池對(duì)使用環(huán)境的光、溫度要求相對(duì)苛刻。這在很大程度上限制了微電池在微慣性系統(tǒng)中的使用。由于采用傳統(tǒng)電池及微化學(xué)電池供電存在上述不足之處，因此，研究隨機(jī)（伴隨微機(jī)電系統(tǒng)）電源是一個(gè)亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。雖然現(xiàn)在也有各種結(jié)構(gòu)形式和不同原理的俘能結(jié)構(gòu)問世，但它們都沒有考慮與MEMS工藝兼容、也沒有考慮與MEMS芯片體積和能量匹配。?

MEMS俘能技術(shù)是利用環(huán)境中的噪聲或機(jī)械振動(dòng)能量，并將其轉(zhuǎn)換成電能的一種集成微系統(tǒng)。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，具有力電耦合特性的高性能壓電材料使自俘能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能?；诟咝阅軌弘姴牧系奈⒆苑芷骷邆潴w積小、重量輕、能量密度高、集成度高、并可與MEMS加工工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)。?

雖然它獲得的電能并不很高，一般在微瓦到毫瓦級(jí)，但經(jīng)過儲(chǔ)能和管理后不僅能滿足微功耗MEMS器件的需求，也可滿足整個(gè)微測(cè)量系統(tǒng)的能量需求。?

目前常用的俘獲器振動(dòng)能的方式有三種，第一種是靜電式俘能UCBerkeley制作的靜電式微俘能器，第二種是上海交通大學(xué)制作的電磁式微壓電俘能器，第三種是法國(guó)TIMA實(shí)驗(yàn)室制作的微壓電式俘能器。?

土耳其中東技術(shù)大學(xué)的SARI所設(shè)計(jì)加工的俘能器，使用串行連接的懸臂梁在不同的自然頻率懸臂陣列產(chǎn)生的外部振動(dòng)來在寬帶俘能器。該設(shè)備在外部振動(dòng)產(chǎn)生的4.2～5kHz頻率范圍內(nèi)，10mV電壓下，連續(xù)輸出功率0.4μW，涵蓋的800Hz頻段。?

美國(guó)圣地亞哥州立大學(xué)的Mathers?et?al.設(shè)計(jì)了一種以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基礎(chǔ)層的，以PMN-PT（鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（馳豫鐵電單晶））為壓電層，大小為7.4毫米×2毫米×110微米的復(fù)合懸臂梁俘能器。振動(dòng)峰峰值為1毫米時(shí)，振動(dòng)頻率1.3千赫時(shí)，可產(chǎn)生10V的電壓。?