[發明專利]一種多懸臂寬頻MEMS壓電俘能器

有效

• 申請號: 201210415352.4
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN102931878A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 姚峰林;高世橋;劉海鵬;牛少華;李平
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02J7/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種多懸臂寬頻MEMS壓電俘能器，屬于微機械電子技術領域。?

背景技術

新能源問題是許多領域面臨的問題，微機電系統的能源也是如此。隨著慣性測量技術的不斷發展，獨立無線使用的微慣性測量系統越來越多，如建筑物，橋梁，人行天橋的無線監控傳感器，彈道簡易修正用的微陀螺慣性測量組件等。這時的微慣性測量系統往往不與大系統有線相連，但又要用電。系統用的電量也許并不大，但卻要長間的供電。系統本身的體積很小，所需要的空間也很小，但卻離不開電源。對此，傳統的供電方式產生了許多問題。?

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

（2）傳統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，當利用傳統電池為微機電器件供能時，電池的這種缺陷十分明顯。這在很大程度上限制了它們在整體上的實用化、微型化和集成化。如果通過對現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電陀螺或微系統單獨供電的需求。?

（3）傳統電池無法長期儲存。眾所周知，傳統化學電池即使在不使用的情況下，其能量也會隨著時間逐漸釋放，并且易出現漏液等現象，從而影響整個微慣性系統的可靠性和安全性。需要定期更換，更換成本相對較高，會無端增加系統的維護和使用成本，同時也會造成對環境的污染。當前，產品小型化、微型化、集成化是當今技術發展的大趨勢，能源供應已成為制約產品微型化技術發展的瓶頸，其微型化問題受到廣泛的重視。隨著MEMS（微機電系統）電子芯片技術的發展，使各類微小傳感器、微小執行器和其它微小型裝置不斷涌現，它們的體積遠小于1cm³，壽命卻達到數年甚至數十年時間，要求有相應壽命的微電源與其匹配。因此，如何向微電子產品無線供能已經成為當前迫切需要解決的問題。一種比較有效的替代傳統電池的方法就是直接從環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90年代初，國際上也已逐步開展了針對MEMS使用的微電池研究。根據對文獻資料的分析，國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?池用于微慣性系統也存在類似傳統電池的問題，如微型鋅鎳電池、微型固體電解質鋰電池也存在不能長期儲存及老化等問題；微型太陽能電池及微型溫差電池對使用環境的光、溫度要求相對苛刻。這在很大程度上限制了微電池在微慣性系統中的使用。由于采用傳統電池及微化學電池供電存在上述不足之處，因此，研究隨機（伴隨微機電系統）電源是一個亟待解決的現實問題。雖然現在也有各種結構形式和不同原理的俘能結構問世，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俘能技術是利用環境中的噪聲或機械振動能量，并將其轉換成電能的一種集成微系統。隨著材料技術的發展，具有力電耦合特性的高性能壓電材料使自俘能技術的實現成為可能。基于高性能壓電材料的微自俘能器件具備體積小、重量輕、能量密度高、集成度高、并可與MEMS加工工藝兼容的優點。?

雖然它獲得的電能并不很高，一般在微瓦到毫瓦級，但經過儲能和管理后不僅能滿足微功耗MEMS器件的需求，也可滿足整個微測量系統的能量需求。?

目前常用的俘獲器振動能的方式有三種如圖1所示，第一種是靜電式俘能UC?Berkeley制作的靜電式微俘能器，第二種是上海交通大學制作的電磁式微壓電俘能器，第三種是法國TIMA實驗室制作的微壓電式俘能器。?

土耳其中東技術大學的SARI所設計加工的俘能器，使用串行連接的懸臂梁在不同的自然頻率懸臂陣列產生的外部振動來在寬帶俘能器如圖2所示。該設備在外部振動產生的4.2~5kHz頻率范圍內，10mV電壓下，連續輸出功率0.4μW，涵蓋的800Hz頻段。?

美國圣地亞哥州立大學的Mathers?et?al.設計了一種以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基礎層的，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微米的復合懸臂梁俘能器如圖3所示。振動峰峰值為1毫米時，振動頻率1.3千赫時，可產生10V的電壓。?