[發明專利]一種電磁式MEMS振動能量收集器及其制備方法

有效

• 申請號: 201510528824.0
• 申請日: 2015-08-25
• 公開（公告）號: CN105162291B
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 黃曉東;黃見秋;黃慶安
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02K15/00
• 分類號: H02K15/00;B81C1/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 吳旭

技術領域

本發明涉及一種收集環境中振動能量的能量收集器及其制備方法，尤其涉及一種基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統)技術的電磁式振動能量收集器及其制備方法。

背景技術

物聯網在智能交通、醫療健康、環境監測、公共安全及國防軍事等領域應用前景廣闊，我國已把物聯網作為戰略產業加以大力推動。物聯網包含許多功能相同或不同的無線傳感器節點，節點之間相互通信、協同工作。微能源技術負責為傳感器節點提供電源，是物聯網發展的關鍵技術之一。目前普遍采用化學能電池或燃料電池等微能源為節點供電，但是這類電池具有體積大及壽命有限的缺點，需要定期更換或進行燃料補充。而能量收集器通過拾取環境能量(如光、振動等)轉化為電能為節點供電。與化學能電池或燃料電池比較，它具有經濟、環保且理論上無壽命限制等優點。太陽能、電磁輻射、溫差、振動等都是可拾取的環境能源，與其它環境能源相比，振動是一種分布廣泛的能量源，因此振動能量收集器具有廣闊的發展前景。

根據不同的轉換原理，振動能量收集器包括電磁式、壓電式及靜電式等三種類型，其中電磁式能量收集器發展最為成熟。一個典型的電磁式能量收集器主要由電感和永磁體構成，它基于法拉第電磁感應原理將振動能轉換為電能。為了提高能量收集效率，要求電磁式能量收集器工作在諧振狀態，即收集器中拾振結構的固有頻率與外界環境中的振動頻率一致，但是，環境中的振動具有頻率成分多且多變(頻帶寬)的特點，因此，實際中該能量收集器很難工作在諧振狀態，其能量收集效率較低；此外，電磁式能量收集器往往僅能收集單一方向的振動能量，當工作在振動方向隨機變化的環境時，它能收集到的振動能量十分有限，進一步限制了其能量收集效率。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術，提出一種電磁式MEMS振動能量收集器及其制備方法，提高振動能量收集效率。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種電磁式MEMS振動能量收集器的制備方法，包括如下步驟：

(1)，選用硅作為第一襯底，通過熱氧化的方法在第一襯底表面生長一層SiO₂；

(2)，以所述SiO₂做掩膜并使用TMAH試劑對第一襯底進行各向異性刻蝕，刻蝕深度為50～200μm，刻蝕后形成凹槽；

(3)，使用HF溶液去除第一襯底表面的SiO₂，并通過熱氧化的方法在第一襯底的表面及凹槽的底部和周側區域重新生長100～1000nm厚度的SiO₂，形成底氧化層；

(4)，通過濺射在底氧化層的表面依次制作一層Ti以及一層Cu，作為制作電感線的種子層；

(5)，通過噴涂法在所述Cu的表面形成一層光刻膠并光刻，定義出電感線層圖形，電感線層包括若干根間隔設置的電感線；

(6)，通過電鍍的方法在所述電感線層圖形區域生長10～30μm的Cu；

(7)，通過刻蝕去除光刻膠以及被光刻膠覆蓋的種子層，完成電感線層的制備；

(8)，通過增強型化學氣相沉積的方法在所述電感線層位于凹槽內區域的表面制作一層1～10μm厚度的SiO₂并光刻，形成頂氧化層；

(9)，按照步驟(1)-(8)，在第二襯底表面依次制備凹槽、底氧化層、電感線層以及頂氧化層；

(10)，將可動永磁體置于第一襯底的凹槽內，然后將第二襯底的凹槽正對第一襯底的凹槽，所述第一襯底和第二襯底上的電感線的首端和尾端之間以跨接方式連接并通過Cu-Cu之間共晶鍵合形成螺旋電感，第一襯底的凹槽和第二襯底的凹槽共同形成空腔。

一種電磁式MEMS振動能量收集器，包括第一襯底，在所述第一襯底上表面中部開有第一凹槽，所述第一襯底上表面以及第一凹槽的底部和周側均設有第一底氧化層，在所述第一底氧化層表面設有第一電感線層，所述第一電感線層包括若干根間隔設置的電感線，每根電感線的中部位于第一凹槽內，每根電感線的首端和尾端分別位于第一凹槽外部，在第一電感線層位于所述第一凹槽內區域的表面設有第一頂氧化層；

第二襯底，在所述第二襯底下表面中部開有第二凹槽，所述第二襯底下表面以及第二凹槽的底部和周側均設有第二底氧化層，在所述第二底氧化層表面設有第二電感線層，所述第二電感線層包括若干根間隔設置的電感線，每根電感線的中部位于第二凹槽內，每根電感線的首端和尾端分別位于第二凹槽外部，在第二電感線層位于所述第二凹槽內區域的表面設有第二頂氧化層；