[發明專利]微型電磁式寬頻帶振動能量采集器

無效

• 申請號: 201010199502.3
• 申請日: 2010-06-12
• 公開（公告）號: CN101860169A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 楊卓青;陶凱;丁桂甫;王艷
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H02K33/18
• 分類號: H02K33/18
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種微機電系統領域的裝置，具體是一種微型電磁式寬頻帶振動能量采集器。

背景技術

隨著無線傳感網絡系統逐漸進入人們的視野，其在生物醫療、工業、建筑業、消費電子和國防等領域，皆有廣闊的應用前景。然而隨著無線傳感產品和微機電系統器件體積不斷減小，供電問題成了困擾其發展應用的主要障礙。當前人們主要依靠高能量密度的一次性電池，盡管電池的儲能密度和使用壽命不斷得以提高，但它的缺陷不言而喻：體積大、質量大、壽命有限、需不斷更換。無線傳感網絡使用壽命往往較長，節點分布廣泛，在某些地方傳感器工作位置難以觸及，更換電池或用電力線供電，既費時又費力，在很多場合下也是不切實際的。

振動能量采集器能夠把周圍環境中的振動能轉化為電能從而為無線電子元器件供電。一方面，利用傳統的機械加工技術得到的振動能量采集器，由于體積較大，無法與微型無線產品和微機電系統器件集成。另一方面，隨著技術的改進和提高，無線傳感器節點的能耗也逐步降低，目前有些產品的活動能耗和睡眠能耗已經降到了幾十毫瓦和幾毫瓦級別，這無疑意味著基于MEMS的微型能量采集器在無線電子元件等低能耗器件方面將有著非常廣泛的應用。

目前完全集成制造的微機械電磁振動能量采集器輸出功率和電壓低，難以滿足低功耗器件應用的需求。究其原因，根據理論分析，能量采集器通常應工作在諧振狀態(拾振固有頻率與環境振動頻率相等)，此時受迫振幅最大，輸出功率也最大。然而，事實上，環境中的振動頻率往往在一個范圍內持續變化，例如飛機在起飛時和在空中平穩運行時振動頻率顯然是不同，因此需要制作出一個能收集不同頻率的MEMS能量采集器。

經過對現有技術的檢索發現，Ibrahim?Sari等人在“An?electromagnetic?micro?powergenerator?for?wideband?environmental?vibrations”(Sensors?and?Actuators，A，2008，405-413)(中文題目“一種微型電磁式寬頻帶振動能量采集器”國際期刊：傳感器與執行器A)文章中報道了一拾振結構為含35根懸臂梁的陣列，利用每根懸臂梁的不同長度得到不同的共振頻率，它能在4.2-5KHZ范圍內持續產生電壓為10mV，功率為0.4μW的電流。雖然部分工藝與IC工藝兼容，但永磁體仍靠手工裝配，整體制作工藝步驟復雜，很難批量生產。

Bin?Yang等人在“Electromagnetic?energy?harvesting?from?vibrations?of?multiplefrequencies”(Journal?of?Micromechanics?and?Micro?engineering，19，2009，035001)(中文題目：“微型電磁式寬頻帶振動能量采集器”國際期刊：微機械和微工程學報)文章中報道了拾振部件為簡支梁上裝配上三個永磁體量采集器，通過仿真實驗得到在一定頻率范圍內產生3.2mV電壓，3.2μW電流。該能量采集器的永磁體、懸臂梁和支架等都是裝配組成，器件體積大，無法與微型無線產品和微機電系統器件集成。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種微型電磁式寬頻帶振動能量采集器，通過多個由彈簧連接的環狀永磁體振動模態的疊加實現寬頻帶能量采集，并利用微結構圖形化方法實現永磁體的集成制造，而且由于圖形化的永磁體可以有較厚的微結構，因而比電鍍永磁體有更好的能量采集和轉化效率，與IC工藝相兼容，易于批量化加工。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括：絕緣襯底、平面螺旋感應線圈、拾振結構和支撐結構，其中：絕緣襯底、平面螺旋感應線圈和拾振結構依次右下而上固定設置，支撐結構位于平面螺旋感應線圈和拾振結構的外側并與絕緣襯底固定連接。

所述的絕緣襯底為石英或玻璃制成。

所述的平面螺旋感應線圈為感應線圈繞組結構，具體為方形或圓形的多層多匝螺旋金屬銅線圈按螺旋漸開的方式組合構成，其中金屬銅線圈的高度、寬度以及匝與匝之間的距離為10微米-30微米。

所述的感應線圈繞組內設有絕緣材料，如氧化鋁或聚酰亞胺或聚氯代對二甲苯。

所述的拾振結構包括：若干蛇形彈簧、若干個環形永磁體和中心永磁體，其中：中心永磁體位于拾振結構的圓心，若干個環形永磁體依次由內而外套接于中心永磁體的外部，若干蛇形彈簧依次徑向設置于支撐結構、環形永磁體和中心永磁體之間的空隙處。

所述的蛇形彈簧包括：位于中心永磁體與相鄰環形永磁體之間的內蛇形彈簧、位于兩個相鄰的環形永磁體之間的過渡蛇形彈簧以及位于環形永磁體與相鄰的支撐結構之間的外蛇形彈簧。