[發明專利]基于PZT壓電梁陣列的MEMS振動能量收集器無效

申請號：	201310281135.5	申請日：	2013-07-05
公開（公告）號：	CN103346252A	公開（公告）日：	2013-10-09
發明（設計）人：	溫志渝;佘引;趙興強;鄧麗誠;羅國希;袁成偉;莫技科	申請（專利權）人：	重慶大學
主分類號：	H01L41/113	分類號：	H01L41/113;B81B3/00
代理公司：	重慶華科專利事務所 50123	代理人：	康海燕
地址：	400030 ***	國省代碼：	重慶;85
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摘要：
搜索關鍵詞：	基于 pzt 壓電陣列 mems 振動能量收集
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【說明書】：

技術領域

本發明屬于微機電系統（MEMS）領域，特別涉及到環境振動能量獲取與轉換的微能源技術。

背景技術

隨著IC技術、MEMS技術和無線通訊技術的發展，越來越多的微型傳感器、微型執行器涌現出來。傳統電池體積大、壽命短，限制了微系統的應用。微能源能夠獲取環境能量，并轉化為電能，具有體積小、壽命長、免維護等優點，是解決上述問題的有效途徑之一。基于壓電效應的MEMS振動能量收集器能夠將環境中的振動能轉換為電能，結構簡單，易于微型化及集成化，在無線傳感網絡、信息化武器裝備、物聯網和現代電子產品等微型系統領域有廣泛的應用前景。

微型振動能量收集器需要通過電路管理進行整流和儲能之后才可對負載供電，而電源管理電路要消耗部分電能。當能量收集器輸出功率過低時，其產生電能大部分被電路消耗，難以對負載供電。

PZT壓電膜壓電系數高，能高效的將環境中的振動能轉換為電能。但是相對介電常數較大，導致輸出電壓低，整流損耗較大，難以對負載供電（[1]?S.?C.?Lin,?B.?S.?Lee,?W.?J.?Wu,?C.?K.?Lee.?Multi-cantilever?piezoelectric?MEMS?generator?in?energy?harvesting.?2009?IEEE?International?Ultrasonics?Symposium?Proceedings.755-758.）。

發明內容：

為了提高MEMS振動能量收集器的輸出電壓，本發明設計了一種基于PZT壓電梁陣列的MEMS振動能量收集器，由PZT壓電梁陣列、一個質量塊和外框組成。壓電梁陣列一端固定在外框上，另一端共用一個質量塊。該結構可以保證壓電梁的輸出電壓相位和共振頻率的一致性，因此壓電梁直接串聯可提高輸出電壓，不會因為相位差問題而引起電壓的相互抵消。

為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于PZT壓電梁陣列的MEMS振動能量收集器，包括由多個壓電梁組成的陣列、一個質量塊和外框；這些壓電梁一端固定在外框上，并沿外框的寬度方向排成一列，構成陣列，每個壓電梁之間有一定的間隙，這些壓電梁另一端與同一個質量塊連接并懸空，即用一個質量塊；PZT壓電梁之間串聯連接，電流由兩個焊點連接導線輸出。

本發明中能量收集器的壓電梁陣列和質量塊構為振動部件，其中壓電梁中的PZT壓電膜為能量轉換的功能部件。在振動環境中，壓電梁發生彎曲振動，在壓電層中產生交變的應變，由于壓電效應，上下電極間產生交流電壓。壓電振動能量收集器的輸出電壓基本上不受梁寬度的影響，因此為了提高器件的輸出電壓，將多個壓電梁串聯連接。壓電梁陣列共用一個質量塊就可以保證共振頻率和相位相同，串聯連接時各壓電梁的輸出電壓不會抵消。壓電梁之間有一定間隙，可以有效地減小結構的空氣壓膜阻尼，便于封裝。另外由于單個PZT壓電梁的壓電膜的面積小，在PZT的制備、極化等過程中成品率就相對較高。

本發明具有以下特點：

1、本發明中的PZT壓電梁陣列共用一質量塊，可保證PZT壓電梁的共振頻率和相位相同，直接串聯連接時各梁的輸出電壓不會抵消，通過串聯提高能量收集器的輸出電壓。

2、本發明中的壓電材料為PZT壓電膜，機電耦合系數和壓電系數高，能量轉化效率高。

3、壓電梁之間的間隙可以減小結構的空氣阻尼，增加振動幅度。

4、單個PZT壓電梁的面積小，可以提高器件的成品率。

5、本發明中的能量收集器結構簡單，采用MEMS工藝進行批量化加工，成本低。

6、本發明體積小、輸出電壓高，特別適合對無線傳感網絡節點供電。

附圖說明

圖1是本發明基于PZT壓電梁陣列的MEMS振動能量收集器結構圖。

圖2是本發明基于PZT壓電梁陣列的MEMS振動能量收集器結構平面圖。

圖3是單個壓電梁能量收集器結構示意圖。由基底、PZT壓電材料和上下電極組成。

圖4是采用MEMS加工工藝設計的壓電復合梁，包括硅基底、SiO₂掩埋層、Ti/Pt層、鎳酸鑭(分子式LaNiO_3，簡稱LNO)層、Al電極和PZT壓電膜。