[發明專利]基于PVDF的微型復合式能量采集器及制備方法

有效

• 申請號: 201210326051.4
• 申請日: 2012-09-05
• 公開（公告）號: CN102868318A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 張海霞;賈若溪;袁泉;韓夢迪
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02N11/00;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

技術領域

本發明涉及一種基于聚合物壓電材料PVDF的微型能量采集器及制備方法，屬于微機電系統領域。

背景技術

隨著微納技術的快速發展，大量新型微納器件與系統不斷的開發出來，如微型發電機、納米結構光電子器件，用于防病治病的納米藥物輸運和定向治療等，但是，微納產品的供電問題正成為困擾其應用的主要障礙，原因是目前這些微納系統的供電主要依靠電池。為避免頻繁的更換電池，這就要求電池的工作壽命不斷延長，而在一些特殊的微納產品或裝置中，特別是在植入式系統（如心臟起搏器，植入式傳感器等）中，更換電池或充電更是困難。替代電池作為微納傳感器能源的技術途徑主要是從微型器件的環境中采集能量，然后將環境的能量轉換成電能。由于振動在工業、建筑甚至生物體中（如肢體運動、血液流動、心臟跳動等）時刻存在，所以采集環境振動的微機電系統（MEMS）壓電式能量采集器得到了國內外同行的重視。在已經開展的研究中，壓電材料多采用壓電陶瓷PZT，如D?Isarakorn等人在“The?realization?and?performance?of?vibration?energy?harvesting?MEMS?devices?based?on?an?epitaxial?piezoelectric?thin?film”（SMART?MATERIALS?AND?STRUCTURES，2011，VOL.025015）(中文題目：“一種基于外延壓電薄膜的MEMS振動能量采集器件的實現和性能”，國際期刊：精密材料和結構)文章中報道了包含1mm×2.5mm×0.015mm懸臂梁的能量采集器，懸臂梁外延了0.5μm厚的PZT并帶有1mm×0.5mm×0.23mm的硅質量塊，在2.3kHz的振動頻率、5.6kΩ的負載下，可以產生13μW，0.27V的能量。Jeon等人在“MEMS?power?generator?with?transverse?mode?thin?film?PZT”(Sensors?and?Actuators?A,2005,122:16-22)(中文題目：“基于PZT薄膜d33壓電模式的MEMS能量采集器”，國際期刊：傳感器和執行器A)文章中報導了另一種以懸臂梁結構為主的能量采集器。懸臂梁由SiO₂或SiNx膜、ZrO₂層、PZT層以及相互交叉的電極(Pt/Ti)和質量塊構成，其中，ZrO₂層能夠阻止壓電層中電荷的逃逸。在13.91kHz的振動頻率下,功率在負載為5.2MΩ時達到最大值1.01μW。然而由于壓電陶瓷密度大，脆性大，加工過程中需要高溫退火，導致器件生物兼容性、效率等方面有較大不足，且加工難度較大。

PVDF是一種柔性的生物兼容的壓電聚合物材料，具有很強的壓電性，施加外力時，能產生較大的電壓。然而，由于壓電材料的內阻特別大，輸出的電流很小，當采用單一的壓電式能量采集，輸出功率仍然偏低。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供一種基于聚合物壓電材料PVDF的微型壓電及電磁復合式能量采集器及制備方法。利用柔性聚合物壓電材料PVDF（聚偏氟乙烯）取代目前常用的壓電陶瓷PZT，并與電磁式能量采集方法共同作用，結合MEMS體硅和表面微機械加工技術來制備微型能量采集器。

本發明的微型能量采集器，包括基底、PVDF壓電薄膜、包含磁性納米顆粒的PDMS質量塊和平面螺旋線圈三個主要部分。硅片上電鍍平面螺旋銅線圈，PVDF壓電薄膜位于線圈的上方或四周，制成懸臂梁結構，并令其單端固支，PVDF壓電懸臂梁的自由端上帶有磁性質量塊。

當PVDF壓電懸臂梁的固有頻率接近或等于外界環境的振動頻率時，PVDF壓電懸臂梁上發生諧振，PVDF壓電懸臂梁由于壓電效應將振動能轉化為電能，其上方的磁性PDMS質量塊隨著PVDF壓電懸臂梁的振動也一起振動，從而穿過平面螺旋線圈的磁通量發生變化，根據法拉第電磁感應定律，平面螺旋線圈就會有感應電動勢，從而在外加負載上輸出功率。

一種微型能量采集器的制備方法，包括如下步驟：

（a）處理、清洗硅片；

（b）在硅片正面等離子增強化學氣相沉積（PECVD）1μm的SiO₂；

（c）濺射100nm的Ti/Cu種子層；

（d）甩正膠、第一次光刻；

（e）電鍍平面螺旋Cu線圈；

（f）甩膠、第二次光刻；

（g）制作PDMS支撐架或振動窗口；

（h）去掉光刻膠、去除種子層