[發明專利]基于復合壓電薄膜的能量采集器

有效

• 申請號: 202110281315.8
• 申請日: 2021-03-16
• 公開（公告）號: CN113114068B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 孫成亮;溫志偉;劉炎;劉婕妤;羅天成;王瑤;曲遠航;王雅馨
• 申請（專利權）人: 武漢敏聲新技術有限公司
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 彭星

本發明公開了一種基于復合壓電薄膜的能量采集器，包括：固定基座，懸臂梁，質量負載；所述固定基座和懸臂梁可以是連續曲面圖形或多邊形，所述質量負載可根據懸臂梁形狀適當調整其形狀尺寸，所述懸臂梁與固定基座接觸端形成固定端，遠離端形成自由端。所述懸臂梁為自上而下多層結構為：上電極、壓電層、下電極、支撐層，所述壓電層為具有低介電常數(低介電損耗)、低壓電系數(較差的壓電性能)的壓電層和具有高介電常數(高介電損耗)、高壓電系數(良好的壓電性能)的壓電層根據實際情況排列組合為兩層或多層結構的復合壓電薄膜，所述復合壓電薄膜各層厚度根據實際情況確定，整體具有良好的壓電和介電性能，能夠提高能量采集器的輸出電壓。

技術領域

本發明涉及能量采集器技術領域，具體涉及一種基于復合壓電薄膜的能量采集器。

背景技術

近年來，隨著無線傳感器和MEMS技術的快速發展，可穿戴電子設備和無線傳感器都已經邁入了小型化、微能源、低功耗的時代，并且在智能電子設備，無人駕駛、機器人以及各類軍事領域都有著較高的應用前景，MEMS技術是一種集微傳感器、微執行器、微能源以及高性能電子集成器件等于一體的微器件或系統。一般情況下，電子設備和微傳感器都是使用電池提供能量，例如鎳氫電池、鋰聚合物電池等等。但這種傳統意義上的電池存在其自身的缺點：1.相對于微器件來說，尺寸較大，不宜與微傳感器、微執行器等集成；2.電池壽命有限，需時常更換，提高制作成本。而微能源以其小尺寸，易于與其他微電子器件集成等優點成為現今研究的一大熱點。

環境中存在著多種形式的振動，例如人體走路時的振動，汽車行駛時輪胎的振動，機器運轉時的振動，這些振動均是潛在的能量，振動能量采集器是一種將振動能量轉化為電能的能量轉化器件，它利用壓電材料的正壓電效應(壓電振子受到機械振動)促進內部電荷移動，將機械能轉化為電能。目前采用AlN壓電材料，AlN具有兩種工作模式(d₃₁和d₃₃)，d₃₁模式是指外力作用方向正交于壓電材料極化后產生電場方向，d₃₃模式是指外力作用方向與壓電材料極化后產生電場方向平行，其中AlN壓電材料的d₃₃壓電系數是d₃₁壓電系數的兩倍多，因此，在相同外力的作用下，d₃₃模式的電能輸出效果最優。

懸臂梁作為工程中常見接受或產生振動的結構，可以產生最大的柔順系數和撓度，具有較寬的動態范圍和較低的諧振頻率，并且擁有高靈敏度、低結構剛度、易加工等優點，所以懸臂梁結構是壓電式振動能量采集器的首選結構。

目前壓電式懸臂梁能量采集器一般由基座、懸臂梁、壓電材料、質量塊和外部采集電路構成。懸臂梁固定在基座上，在懸臂梁上表面鋪沉底電極，然后設置壓電層，上電極沉積在壓電層上部，質量塊固定在懸臂梁上以降低能量采集器的諧振頻率。壓電能量采集器主要性能指標為輸出電壓，該性能指標很大程度上取決于其功能層(壓電薄膜)的壓電性能和介電性能，而目前能量采集器所用采用的大部分是純AlN薄膜或者純ScAlN薄膜，AlN介電常數低，介電損耗小，具有良好的介電性能，但其壓電系數相對較小，壓電性能較差，ScAlN具有高壓電系數，但其介電常數較大，易產生較高的介電損耗，介電性能較差，這些壓電薄膜在滿足良好壓電性能的同時往往介電性能較差，或者在滿足良好介電性能的同時往往壓電性能較差，因此，急需一種同時具有良好壓電性能和介電性能的壓電薄膜來有效提高能量采集器性能，良好的壓電性能能夠較好地改善其能量采集器壓電層上下表面的電荷密度，良好的介電性能(低介電損耗)能夠減少電荷遷移過程中的能量損耗，能夠增加電荷遷移量，最終也能提高電荷密度，此外，良好的介電性能(低介電損耗)能夠減小壓電層的等效電容，較高的電荷密度和較小的等效電容能夠產生較高的輸出電壓，提高能量采集器自身性能。

發明內容