[發明專利]物聯網射頻收發組件中懸臂梁振動電磁自供電微傳感器

有效

• 申請號: 201410057963.5
• 申請日: 2014-02-20
• 公開（公告）號: CN103840707A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 廖小平;王文巖
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02J17/00;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明提出了物聯網射頻收發組件中懸臂梁振動/電磁自供電微傳感器，屬于微電子機械系統的技術領域。

背景技術

隨著物聯網、微機電系統（MEMS）等微型智能系統領域的快速發展，如何有效地解決小型化和低功耗電子設備自供電問題已經引起廣泛關注。目前仍然在大范圍使用的傳統化學蓄電池，如鎳氫電池、鋰聚合物電池等。傳統化學蓄電池存在明顯的缺點：其尺寸和重量大，攜帶不便，限制了微系統的小型化；可持久使用時間有限，需要更換電池或者充電，很多情況下更換電池的成本較高；廢舊電池內含有大量重金屬以及廢酸、廢堿等電介質溶液，會對環境造成巨大的威脅。得益于微功耗集成電路技術和MEMS技術的進步，近年來興起的能量收集自供電技術為解決以上問題提供了有效方案，使得實現自供電的低功耗智能微型系統成為可能。鑒于射頻收發組件的工作環境中，大量存在機械振動能和雜散磁場能兩種環境能源。本發明是物聯網射頻收發組件中懸臂梁振動/電磁自供電微傳感器，同時實現對雜散電磁能和機械振動能這兩種環境能量的收集，轉換和儲存，以備使用。

發明內容

技術問題：為了解決低功耗微型智能系統（如物聯網）發展中遇到的自供電和小型化問題，以已有的能量收集自供電技術為基礎，為了提高對射頻收發組件中的環境能量的收集效率，增強能量收集器的供電能力，本發明提出了物聯網射頻收發組件中懸臂梁振動/電磁自供電微傳感器。這種雙模式能量收集自供電系統集成了機械振動壓電能量收集模塊和雜散磁場電磁能量收集模塊，兩者的集成能夠起到相互補充的作用；功能上由壓電換能器和整流天線系統組成，分別針對機械振動能和雜散電磁能起到能量收集、轉換和儲能的作用。

技術方案：本發明的物聯網射頻收發組件中懸臂梁振動/電磁自供電微傳感器以砷化鎵（GaAs）為襯底，以MEMS懸臂梁為基礎制作壓電換能器和整流天線系統，在懸臂梁的周圍輔以濾波電路、整流電路和儲能電容。

在砷化鎵襯底上設有一個錨區，一個橢圓形結構的MEMS懸臂梁通過兩個并列的窄梁連接到錨區上，該MEMS懸臂梁共有五層結構組成，從上往下依次為：上電極，壓電薄膜，下電極，氮化硅電介質層和矩形微帶貼片天線；由上電極，壓電薄膜，下電極構成壓電轉換模塊，在懸臂梁的周圍輔以濾波電路、整流電路和儲能電容，同時實現針對機械振動能和雜散電磁能這兩種能量收集模塊的集成，解決了低功耗系統的自供電問題；系統中兩種能量收集模塊相互補充，矩形微帶貼片天線用作質量塊增強梁振動的慣性力和形變，梁的振動能夠擴展矩形微帶貼片天線收集能量的方向性范圍。

壓電換能器由上電極、壓電薄膜、下電極、整流電路和儲能電容組成，由兩個壓電轉換模塊相互串聯構成，即一個壓電轉換模塊的下電極串聯另一個壓電轉換模塊的上電極，電壓從前一個壓電轉換模塊的上電極和后一個壓電轉換模塊的下電極引出。上電極和下電極分別覆蓋在兩個壓電薄膜的上下表面，上電極、下電極和壓電薄膜位于懸臂梁的最大應力處，懸臂梁靠近錨區的位置，即并列的兩個窄梁部分各有一個壓電能量轉換模塊。懸臂梁末端的橢圓形部分作為矩形微帶貼片天線的制作平臺，沒有放置壓電換能器結構，用作懸臂梁結構中的質量塊發揮作用，增強了懸臂梁振動時的慣性力和形變。當懸臂梁發生振動時會在壓電薄膜的上下表面產生電荷，通過上下電極的串聯把兩個壓電換能器的輸出電壓疊加起來，如此可以增加輸出電壓值。壓電換能器輸出的電壓送到整流電路進行交直流變換；最后送到儲能裝置用于向系統供電。壓電換能器是將機械振動能轉換為直流電能，并能減小機械振動對系統結構和器件造成的損耗。

整流天線系統由矩形微帶貼片天線、濾波電路、整流電路和儲能電容組成。微帶貼片天線位于懸臂梁末端的橢圓形部分，包括接地板、電介質層和金屬貼片三個部分，其中接地板是共享壓電轉換器的電極構成，電介質層是氮化硅材料，偏心饋電的矩形微帶貼片天線的饋線經過其中一個窄梁引出。矩形微帶貼片天線接收到的周圍環境雜散電磁波能量經過濾波電路和整流電路，之后轉換為直流能量，然后送到儲能電容。隨著MEMS懸臂梁的振動，矩形微帶貼片天線的方向性會發生變化，從而擴大了天線收集電磁波能量的方向性范圍。