[發(fā)明專利]新型串聯(lián)式線圈電磁能量采集器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210551994.7
• 申請(qǐng)日: 2012-12-18
• 公開（公告）號(hào): CN103011061A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張海霞;李忠亮;韓夢(mèng)迪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): B81C1/00
• 分類號(hào): B81C1/00;H02K35/02;C25D3/56
• 代理公司: 北京市商泰律師事務(wù)所 11255
• 代理人: 毛燕生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微機(jī)械系統(tǒng)制造領(lǐng)域，具體涉及微納米加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可集成化加工的振動(dòng)能量采集器的制造方法。

背景技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，它涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多種學(xué)科。而利用微納領(lǐng)域加工技術(shù)制備的元器件則有著廣泛的應(yīng)用和前景。本發(fā)明涉及一種能夠用于對(duì)周圍環(huán)境中的振動(dòng)能量進(jìn)行采集并儲(chǔ)存為電能的器件。可以針對(duì)環(huán)境中普遍存在的低頻振動(dòng)進(jìn)行有效的采集和儲(chǔ)存。機(jī)械振動(dòng)是最為常見的能量形式，因此將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能是目前研究的重點(diǎn)領(lǐng)域和應(yīng)用范圍最廣泛的方式，特別適合用作物聯(lián)網(wǎng)的能量來源。

通常，MEMS振動(dòng)能量采集器有三種工作原理：壓電式、靜電式和電磁式。其中，靜電式能量采集器具有非諧振采集的優(yōu)點(diǎn)，因此適用于各種頻率，但是需要外接電源，實(shí)際使用受限。而壓電式具有結(jié)構(gòu)較為簡單，輸出能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，但是輸出電流小，低頻輸出效率低。相比而言，電磁式能量采集器具有工藝簡單，輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)，但其諧振的工作原理對(duì)外界頻率有一定的限制，而且永磁體的集成加工制備也較為困難。特別是CMOS工藝的兼容性問題使得電磁式能量采集器的制備面臨極大的挑戰(zhàn)。之前的研究表明了這幾個(gè)特點(diǎn)，在Seok-Min?Jung等人在2010年發(fā)表的A?Wideband?Energy?Harvesting?Device?Using?Snap-Through?Bucking?for?Mechanical?Frequency-up?Conversion(23rd?IEEEInternational?Conference?on?Microelectromechanical?Systems,24-28Jan.,2010,Hong?Kong)（中文名：采用機(jī)械形變彈力提升技術(shù)的寬頻帶能量采集器）中，輸出電壓達(dá)到9.06V,輸出功率達(dá)到1.12uW。而在Daigo?Miki等人在2010年發(fā)表的Large-amplitudeMEMS?Electret?Generator?with?Nonliner?Spring(23rd?IEEEInternational?Conference?on?Microelectromechanical?SystemsProc.23rd?Int.Conf.MEMS(IEEE-MEMS2010）,24-28Jan.,2010,Hong?Kong,China)（中文名：帶非線性彈簧的大幅度輸出MEMS電極體發(fā)電機(jī)）中的靜電式駐極體的輸出功率為1.0uW。在之前的電磁式能量采集器中，多數(shù)的永磁體為非集成加工的方法制備的，其磁性可以達(dá)到非常高的要求。比如在Sari等人在An?Electromagnetic?Micro?Power?Generator?for?WidebandEnvironmental?Vibrations,(Sensors?and?Actuators?A,2008),（中文名：針對(duì)寬頻帶環(huán)境振動(dòng)的電磁式微能量采集器）中的工作中將一系列的線圈做在聚對(duì)二甲苯（parylene）振動(dòng)板與折形梁上，實(shí)現(xiàn)了4.2-5kHz寬頻范圍內(nèi)的電磁能量采集器。但是由于其永磁體的加工為手工粘貼方式，并不完全是集成加工，所以還不利于大規(guī)模生產(chǎn)加工。同時(shí)由于電磁式能量采集器的線圈切割磁感線的效率不高，所以導(dǎo)致其輸出電壓受限。

從以上介紹可知，電磁式能量采集作為一種優(yōu)勢(shì)較為明顯的振動(dòng)能量采集方式還沒有較好的集成加工制備技術(shù)，并且輸出電壓也制約了它的應(yīng)用。所以本發(fā)明針對(duì)電磁式能量采集器的集成加工進(jìn)行了研究，并提出了新加工工藝提升輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了電磁式能量采集器的完全微納復(fù)合加工技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

（一）要解決的技術(shù)問題

針對(duì)上述對(duì)于電磁式能量采集器的加工問題，本發(fā)明提供一種可以完全采用集成加工方法，可以和其他MEMS加工工藝完全兼容的制備方法。并且其新電壓提升結(jié)構(gòu)使得輸出電壓有了較大的提升。

本發(fā)明的電鍍永磁體材料為CoNiMnP合金，CoNiMnP與Cu振動(dòng)板、折形梁接觸良好，并且便于采用電鍍方法制備。永磁體陣列的電鍍裝置采用Co作為陽極，以維持電鍍液中Co離子的濃度。在電鍍槽兩側(cè)放置兩塊強(qiáng)永磁體以形成外加磁場，在電鍍時(shí)對(duì)電鍍的永磁體陣列進(jìn)行垂直磁化。永磁體的飽和磁場強(qiáng)度與體積呈正相關(guān)，所以可以延長電鍍時(shí)間來增加永磁體高度，以提升磁場強(qiáng)度，使得線圈處于更強(qiáng)的磁場，增加能量采集效率。當(dāng)橫截面積一定時(shí)，還可以通過控制電鍍磁體厚度來改變磁體的矯頑力、剩磁和磁能積。