[發(fā)明專(zhuān)利]易于集成制造的高性能微型電磁式振動(dòng)能量采集器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010248136.6
• 申請(qǐng)日: 2010-07-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101924451A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王佩紅;劉慧婷;楊卓青
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 安徽大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H02K35/02
• 分類(lèi)號(hào): H02K35/02
• 代理公司: 安徽合肥華信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及振動(dòng)能量采集器領(lǐng)域，具體涉及一種易于集成制造的高性能微型電磁式振動(dòng)能量采集器。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷進(jìn)步使得電子器件和產(chǎn)品向著微型化方向發(fā)展，藍(lán)牙技術(shù)和低功耗通訊標(biāo)準(zhǔn)(如Zigbee和IEEE802.15.4)的出現(xiàn)很大程度上推動(dòng)了微型無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)和通訊節(jié)點(diǎn)的研究，微機(jī)電系統(tǒng)由于具有能耗低、體積小、功能大、可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)也正在迅速發(fā)展。但是，與無(wú)線(xiàn)傳感產(chǎn)品和微機(jī)電系統(tǒng)器件的體積不斷減小相比，供電問(wèn)題正成為它們發(fā)展的一個(gè)很大障礙。此外，新型微納器件、納米結(jié)構(gòu)光電子器件，以及用于防病治病的納米藥物輸運(yùn)和定向治療等技術(shù)的不斷發(fā)展，其各自的供電問(wèn)題正成為困擾其廣泛應(yīng)用的主要障礙，原因是目前這些微納系統(tǒng)的供電主要依靠電池。為避免頻繁地更換電池，這就要求電池的工作壽命不斷延長(zhǎng)，而在一些特殊的微納產(chǎn)品或裝置中，特別是在植入式系統(tǒng)中，如心臟起搏器、植入式傳感器等，更換電池或充電更是困難。替代電池作為微納系統(tǒng)能源的技術(shù)途徑主要是從微器件的工作環(huán)境中采集能量，然后將其轉(zhuǎn)換成電能。由于振動(dòng)在工業(yè)、建筑物甚至生物體中(如肢體運(yùn)動(dòng)、橋梁的振動(dòng)、心臟跳動(dòng)等)時(shí)刻存在，所以采集環(huán)境振動(dòng)的微機(jī)械電磁式能量采集器逐步受到了國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，E.Koukharenko等在《MicrosystemTechnologies》(《微系統(tǒng)技術(shù)》，2006年12期1071-1077頁(yè))發(fā)表了題為“Microelectromechanical?systems?vibration?powered?electromagneticgenerator?for?wireless?sensor?appl?ications”(“適用于無(wú)線(xiàn)傳感器的采集振動(dòng)能量的電磁式微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)”)的論文，提出了一種基于硅襯底的三明治型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)分為三層，上下兩層為內(nèi)嵌有永磁體的派熱克斯玻璃，中間層為可以在水平面內(nèi)左右擺動(dòng)的硅平臺(tái)，硅平臺(tái)通過(guò)一硅懸臂梁與硅外框相連。上下永磁體磁極相反，從而在上下層之間提供勻強(qiáng)磁場(chǎng)。金屬線(xiàn)圈嵌入到硅平臺(tái)中央，經(jīng)過(guò)硅懸臂梁上的溝道與外界電路連接。利用鍵合技術(shù)把上中下三層合成為一振動(dòng)能量采集器。當(dāng)外界振動(dòng)作用到硅平臺(tái)時(shí)，硅平臺(tái)在其所在平面內(nèi)發(fā)生擺動(dòng)，導(dǎo)致線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)，產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而為與線(xiàn)圈相連的其他無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品和微機(jī)電系統(tǒng)器件供電。然而，該設(shè)計(jì)用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)方法制作硅懸臂梁，制作成本較高，更重要的是永磁體需要手工粘連到派熱克斯玻璃上，裝配結(jié)構(gòu)導(dǎo)致器件體積較大、不易于集成制造。此外，袁泉等人于2009年3月申請(qǐng)的專(zhuān)利“微型電磁式能量采集器及制備方法”(申請(qǐng)?zhí)?00910080541.9)采用電鍍永磁體的方法，在一定程度上改善了手工粘結(jié)永磁體帶來(lái)的不便，但是，電鍍永磁材料在微加工中是極為困難的，不僅電鍍條件難于控制，而且其厚度很薄，以致產(chǎn)生的磁場(chǎng)很微弱、磁學(xué)性能較差，不能將采集到的振動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)化為電能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種易于集成制造的高性能微型電磁式振動(dòng)能量采集器，其中永磁體采用微模具復(fù)制的集成方法加工，位于振動(dòng)彈簧平臺(tái)上，線(xiàn)圈則采用電鍍金屬銅或金的方法制作，并被柔性聚合物包裹起來(lái)，直接位于襯底上，整個(gè)器件全部采用基于非硅微加工的方法集成制作，微模具復(fù)制的永磁體通過(guò)將永磁粉與粘結(jié)聚合物混合壓制而成，與器件整體工藝兼容。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種易于集成制造的高性能微型電磁式振動(dòng)能量采集器，包括有襯底、絕緣層、線(xiàn)圈、電極、彈簧平臺(tái)、支撐座和永磁體，其特征在于：所述襯底上表面附著有線(xiàn)圈，所述線(xiàn)圈的首尾兩端分別與二個(gè)電極相連接，所述襯底上表面覆蓋有絕緣層，所述絕緣層將所述的線(xiàn)圈包覆在其中，所述二個(gè)電極位于絕緣層之上；所述絕緣層的上表面附著有多個(gè)支撐座，多個(gè)支撐座上架裝有彈簧平臺(tái)，所述的彈簧平臺(tái)位于所述線(xiàn)圈的正上方，并與所述的線(xiàn)圈之間有間隙，所述彈簧平臺(tái)上固定連接有永磁體。

所述的易于集成制造的高性能微型電磁式振動(dòng)能量采集器，其特征在于：所述的襯底為石英或玻璃。

所述的易于集成制造的高性能微型電磁式振動(dòng)能量采集器，其特征在于：所述的線(xiàn)圈采用在襯底上表面通過(guò)電鍍銅或金的方式形成，所述的線(xiàn)圈為單層導(dǎo)體環(huán)繞或首尾相互連接的多層導(dǎo)體環(huán)繞結(jié)構(gòu)，其中單層線(xiàn)圈的厚度為2～20微米。

所述的易于集成制造的高性能微型電磁式振動(dòng)能量采集器，其特征在于：所述二個(gè)電極采用在絕緣層上通過(guò)電鍍銅或金的方式形成，其面積分別為(400～500)×(600～800)平方微米，厚度分別為10～30微米。