[實用新型]一種懸臂梁式薄膜壓力發電結構

有效

• 申請號: 201720333432.3
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN206635021U
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 閆樹斌;李國洪;張志東;張彥軍;馮登超;張勐;趙學峰;薛晨陽;張文棟
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙)14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本實用新型屬于微機電系統領域，具體為一種懸臂梁式薄膜壓力發電結構。

背景技術

微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）技術是以微電子技術為基礎的，聲、光、電、材料、力學、化學等多學科交叉的革命性新技術。它采用半導體加工工藝，融合了光刻、腐蝕、刻蝕、沉積等關鍵技術，致力于打造集傳感器、執行器和微能源于一體的超微小型智能芯片。MEMS技術在研發硅微傳感器的過程中由微電子技術逐漸演變而來，最初將其應用于硅壓阻式壓力傳感器。隨著該技術的發展和推廣，運用MEMS技術制備的各類硅基傳感器，如壓力傳感器、加速度計、溫度傳感器、氣體傳感器、集成光學傳感等，以其精度高、成本低、體積小、可靠性高等優點迅速實現商業化。作為硅基傳感器中的典型代表，硅壓力傳感器具有制作工藝成熟、工作性能穩定、性能價格比高等優點，廣泛應用于汽車工業、自動控制、航天航海、醫療衛生和軍事應用等方面。壓力傳感器主要以不同功能器件在硅基底上實現單片集成的智能化傳感微系統為研究目標，實現高靈敏度、小量程、高工作溫度壓力探測，以滿足不同領域的工作要求。

目前體育比賽當中諸如跆拳道、武術表演等賽場記分牌和照明設備等裝置都是通過外接電源工作的，不符合節能環保原則，在賽場上的運動員消耗掉的動能沒有被利用起來，本實用新型就目前這種問題，提供一種懸臂梁式薄膜壓力發電結構。

發明內容

本實用新型為了解決上述問題，提供了一種懸臂梁式薄膜壓力發電結構，并且提供了懸臂梁式環形諧振腔的薄膜發電的工作原理。

本實用新型是采用如下的技術方案實現的：一種懸臂梁式薄膜壓力發電結構, 包括框型基底，框型基底的一側開口，框型基底開口正對的梁上設有懸空在框型基底內的硅懸臂梁，硅懸臂梁的自由端固定有質量塊，框型基底開口正對的梁上方還設有二氧化硅絕緣層，二氧化硅絕緣層上設有底電極層，底電極層上朝框型基底開口側延伸有位于硅懸臂梁上方的條狀底電極層，質量塊上設有PZT壓電層，PZT壓電層朝二氧化硅絕緣層方向延伸有位于條狀底電極層上方的條狀PZT壓電層，條狀PZT壓電層上方設有頂電極層。

本實用新型懸臂梁結構設計目的是為了使懸臂梁處于振動環境中，能夠實現共振模式,因此需要使懸臂梁的振動頻率與環境振動頻率接近。由于環境中普遍存在著主振頻率在100-500Hz之間的低頻振動源,因此,本實用新型設計的壓電懸臂梁要滿足諧振頻率在100-500Hz之間,以便懸臂梁在這些振動源中達到共振,最大的輸出電能。為了獲得更低諧振頻率,在懸臂梁的自由端增加了質量塊,同時適當的增加寬度，結構示意圖如圖1所示。在壓電懸臂梁的自由端增加集中質量塊,具有以下兩個方面的突出優點，首先能夠降低懸臂梁的固有頻率,使結構的固有頻率與環境振動頻率相同或接近,從而使壓電發電的振動系統在共振狀態下工作。其次,自由端集中質量增加了慣性力,從而增加懸臂梁的變形,即增加輸入壓電層的機械能,輸出電能也就相應的提高。當該系統處于振動環境中時,外界環境中的振動能傳遞到系統內,引起懸臂梁振動并彎曲變形,使懸臂梁儲存機械能,讓懸臂梁與壓電層相結合,從而引起壓電層的伸縮進而產生電信號,實現了機械能到電能的轉換。

附圖說明

圖1為懸臂梁式薄膜發電結構示意圖。

圖2為懸臂梁式薄膜發電結構分層示意圖。

圖3為懸臂梁式薄膜發電機構工作原理示意圖。

圖中：1-框型基底，2-硅懸臂梁，3-質量塊，4-二氧化硅絕緣層，5-底電極層，6-PZT壓電層，7-頂電極層。

具體實施方式

一種懸臂梁式薄膜壓力發電結構,包括框型基底1，框型基底1的一側開口，框型基底開口正對的梁上設有懸空在框型基底內的硅懸臂梁2，硅懸臂梁2的自由端固定有質量塊3，質量塊3的寬度大于硅懸臂梁2的寬度，框型基底開口正對的梁上方還設有二氧化硅絕緣層4，二氧化硅絕緣層4上設有Pt/Ti （鈦上面鍍鉑）底電極層5，Pt/Ti底電極層5上朝框型基底開口側延伸有位于硅懸臂梁上方的條狀Pt/Ti底電極層5，質量塊上設有PZT壓電層6，PZT壓電層6朝二氧化硅絕緣層方向延伸有位于條狀底電極層上方的條狀PZT壓電層6，條狀PZT壓電層上方設有Pt/Ti頂電極層7。

圖3為懸臂梁式薄膜發電機構工作原理示意圖，其工作原理為：當系統處于振動環境中時,外界環境中的振動能傳遞到系統內,引起硅懸臂梁振動并彎曲變形,使硅懸臂梁儲存機械能,從而引起壓電層的伸縮進而產生電信號,實現了機械能到電能的轉換。