[發明專利]一種基于激光面減薄的階梯式壓電能量采集器及制備方法

在審

• 申請號: 202110591967.1
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113315415A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 李以貴;王保志;張成功;董璇;王歡
• 申請（專利權）人: 上海應用技術大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 顧艷哲

本發明涉及一種基于激光面減薄的階梯式壓電能量采集器及制備方法，階梯式壓電能量采集器包括懸臂梁，以及設于懸臂梁兩端的固定裝置與質量塊，其中懸臂梁包括自上而下依次設置的壓電層、粘結層以及金屬襯底層，并且沿指向質量塊的懸臂梁長度方向，壓電層與金屬襯底層的厚度均呈階梯狀逐漸減小。與現有技術相比，本發明通過激光設備進行階梯減薄工藝，在傳統矩形懸臂梁上釋放應力，獲得低頻、高輸出和高能量密度的階梯式壓電能量采集器件，具有制備方法簡單、可控性強、兼容性好等優點，所制備的階梯狀懸臂梁具有能量密度高、諧振頻率低和輸出電能高等優點，具有較為廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于塊材壓電材料減薄和壓電能量采集器技術領域，涉及一種基于激光面減薄的階梯式壓電能量采集器及制備方法。

背景技術

在微壓電能量采集器器件的薄膜化領域，微機電系統(MEMS)器件中壓電層的厚度集中在100nm-1mm的尺度范圍，主要分為薄膜、厚膜和塊材壓電陶瓷(PZT)三大類。塊材PZT(100μm-1mm)一般通過1000℃以上的高溫燒結得到，可獲得較好的壓電特性，但工藝復雜設備要求高；PZT薄膜(100nm-1um)一般通過分子束外延(MBE)、脈沖激光沉積(PLD)和化學氣相沉積(CVD)等工藝獲取，然而用這種層層堆疊的方式不斷生長會引入非常多的材料缺陷和晶向取向不一的問題，引起制備的薄膜具有較差的壓電特性；PZT厚膜(1um-100um)一般通過溶膠凝膠法(Sol-gel deposition)、氣溶膠沉積(Aerosol deposition)和絲網印刷(Screen printing)等方法制備，但受到工藝限制導致材料的致密性和壓電特性相比于塊材PZT較差。因此，通過對塊材PZT減薄工藝是獲得較好壓電特性的途徑之一。

對比現有技術發現，中國專利ZL107808926B公開了一種基于壓電厚膜MEMS工藝的微能量采集器及其制備方法，具體提供了一種通過機械減薄、研磨和拋光等方法對塊材PZT進行減薄的工藝方法，可將壓電層減薄至65μm，但該方法在微米級小尺度下對設備精度要求較高，并且工藝工序復雜、制備效率較低，Manjuan Huang等人在《A Low-Frequency MEMSPiezoelectric Energy Harvesting System Based on Frequency Up-ConversionMechanism》(Micromachines，2019)中通過MEMS工藝和機械減薄技術制備了一種微壓電能量采集器件，PZT層達到66μm的壓電厚膜，但該方法步驟復雜，并且很難實現大批量生產。

同時，MEMS直線型懸臂梁在受到外界激勵時，其應力多集中在固定端，導致壓電材料的能量密度很低，限制了能量采集器件的能源產能效率。此外，由于傳統直線型懸臂梁的尺寸有限，其固有頻率很高，難以匹配自然環境中所存在的諧振頻率，使得其應用受到很大約束。

中國專利ZL 201520923851.3公開了一種階梯形壓電懸臂梁能量采集器，包括基板、質量塊和壓電晶片，基板兩端的厚度不相等且兩端之間區域的厚度位于兩端的厚度值之間，壓電晶片設于基板的上表面，質量塊設于基板一端。該能量采集器有利于采集低頻能量，并獲得較大開路輸出電壓值。但是該專利仍具有以下缺點：(1)未對壓電層做出改變，器件能量輸出密度有很大提升范圍；(2)該專利只是單純減薄基板，其具體內容為：“基板第一區域、第二區域和第三區域厚度分別設置為20μm、16μm和12μm，壓電層厚度設置為25μm”，這會導致該器件結構的壓電層無法有效產生應力。一般器件的力學中性層需處于金屬襯底層，這樣才能夠保證復合懸臂梁結構發生形變時壓電層均擁有相同的極化方向，避免產生電荷抵消；(3)未給出加工和制備方法，缺少關鍵性工藝指標。

發明內容

本發明的目的就是提供一種基于激光面減薄的階梯式壓電能量采集器及制備方法，用于解決現有壓電能量采集器與自然環境中的諧振頻率之間匹配性能較差，從而導致能源產能效率的問題。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：