振动式能量采集器及其制备方法技术

一种振动式能量采集器，包括偏置电压生成装置、至少两个层叠设置的运动极板以及设置在两个运动极板之间且用于使得相邻两个运动极板在无外力作用下保持预设间距的隔离装置；每个运动极板均包括支撑构件、运动质量块和电极层；支撑构件设置在运动质量块的外围并对运动质量块进行支撑；电极层设置在每个运动极板上与相邻运动极板相对的表面上；偏置电压生成装置位于相邻两个运动极板之间且设置在其中一个的电极层表面；偏置电压生成装置用于在相邻两个运动极板之间形成固定电场。上述振动式能量采集器具有较宽的工作频率，从而使得器件在该频率范围内具有较高的能量采集效率。本发明专利技术还提供一种振动式能量采集器的制备方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及能量采集
，特别是涉及一种振动式能量采集器及其制备方法。
技术介绍
振动式能量采集器是能量采集器中的一种，它可以将自然界普遍存在的机械振动能量转换为电能，进而不间断地为各种低功耗电子元件或者微系统供电。传统的振动式能量采集器具有固定的共振频率。而在许多情况下，振动源通常工作在一个特殊的频率范围，或者工作在一个随机振动频率范围内。当振动源频率偏离振动式能量采集器的共振频率时，会导致能量采集效率降低。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种工作频率较宽且能量采集效率较高的振动式能量采集器及其制备方法。一种振动式能量采集器，包括偏置电压生成装置、至少两个层叠设置的运动极板以及设置在两个所述运动极板之间且用于使得相邻两个所述运动极板在无外力作用下保持预设间距的隔离装置；每个所述运动极板均包括支撑构件、运动质量块和电极层；所述支撑构件设置在所述运动质量块的外围并对所述运动质量块进行支撑；所述电极层设置在每个运动极板上与相邻运动极板相对的表面上；所述隔离装置设置在所述支撑构件上；所述偏置电压生成装置位于相邻两个所述运动极板之间且设置在其中一个的电极层表面；所述偏置电压生成装置用于在相邻两个所述运动极板之间形成固定电场。在其中一个实施例中，所述支撑构件和所述运动质量块均由硅基材料制成。在其中一个实施例中，所述偏置电压生成装置为驻极体；所述驻极体上存在电荷分布从而为相邻两个运动极板提供偏置电压。在其中一个实施例中，所述支撑构件包括支撑主体和悬臂梁结构；所述支撑主体为中空结构，用于放置所述运动质量块；所述悬臂梁结构分布与所述支撑主体、所述运动质量块连接。在其中一个实施例中，所述隔离装置为绝缘层。在其中一个实施例中，所述电极层为金属层或硅基导电材料层。在其中一个实施例中，所述运动质量块上与相邻运动质量块相对的一面上设置有凸点；所述运动质量块上的凸点在所述运动质量块不受外力时不与相邻的运动质量块接触。一种振动式能量采集器的制备方法，包括步骤：制备至少两个运动极板；每个所述运动极板均包括支撑构件、运动质量块和电极层；所述支撑构件设置在所述运动质量块的外围并对所述运动质量块进行支撑；所述电极层设置在每个运动极板上与相邻运动极板相对的表面上；提供偏置电压生成装置；所述偏置电压生成装置用于在相邻两个所述运动极板之间形成固定电场；以及通过隔离装置将至少两个运动极板层叠设置；所述隔离装置用于使得相邻两个所述运动极板在无外力作用下保持预设间距；所述隔离装置设置在所述支撑构件上；所述偏置电压生成装置位于相邻两个所述运动极板之间且设置在其中一个的电极层表面。在其中一个实施例中，所述制备运动极板的步骤包括：提供两面形成有二氧化硅层的晶片；在所述晶片两面形成光刻胶，并对晶片正面的光刻胶进行光刻以获得结构图形；以所述光刻胶为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，以去除晶片正面裸露的二氧化硅层后将光刻胶去除，形成由二氧化硅组成的结构图形；以二氧化硅为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，刻蚀单晶硅直至剩余单晶硅的厚度达到目标厚度；在所述晶片反面形成光刻胶，并进行刻蚀以获得结构图形；以光刻胶为掩膜层，采用等离子体干法刻蚀的方法，去除晶片反面裸露的二氧化硅层，并去除所述光刻胶；以二氧化硅为掩膜层，对晶片正面和反面同时进行湿化学刻蚀，刻穿所述晶片从而形成支撑构件和运动质量块；以及在所述晶片的表面形成一层金属层作为电极层。在其中一个实施例中，所述提供偏置电压生成装置的步骤包括：在所述电极层表面形成一层驻极体；对所述驻极体进行充电以使得所述驻极体上存在电荷分布。上述振动式能量采集器，包括至少两个层叠设置的运动极板，相邻运动极板之间通过隔离装置形成预设间距，且每个所述运动极板均包括支撑构件、运动质量块和电极层。因此，在外部振动源的作用下，各运动极板发生相互碰撞，由于碰撞耦合现象可以拓宽器件的输出频带，从而使得振动式能量采集器具有较宽的工作频率，进而提高器件在该频率范围内的能量输出效率，提高能量采集效率。附图说明图1为一实施例中的振动式能量采集器的主视图；图2为图1中的振动式能量采集器的爆炸图；图3为图1中的振动式能量采集器的剖视图；图4为一实施例中的振动式能量采集器测试电路示意图；图5为一实施例中的振动式能量采集器工作时最佳负载电阻的测试曲线；图6为一实施例中的振动式能量采集器在外部负载阻值是20MΩ时，正弦驱动信号频率从125Hz到200Hz变化时的输出功率变化曲线；图6a～6f为图6中，振动式能量采集器在180Hz时，不同加速度下的电压输出曲线；图7为一实施例中的振动式能量采集器的制备方法的流程图；图8为图7中步骤S710的具体流程图；图9a～9h为图8中的制备流程对应的器件的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。图1为一实施例中的振动式能量采集器的主视图。图2为图1中的振动式能量采集器的爆炸图，图3则为图1中的振动式能量采集器的剖视图。该振动式能量采集器为静电式，用于将振动能量转换为电能进行存储或者向外供电。参见图1～3，该振动式能量采集器包括两个运动极板110和120、位于两个运动极板之间的隔离装置200和偏置电压生成装置300。运动极板110和运动极板120层叠相对设置，从而形成一个变间距式可变电容结构。其中，运动极板110作为下级板，运动极板120则作为上极板。运动极板110和运动极板120的结构相似，二者可以具有相同的谐振频率，也可以具有不同的谐振频率。在本实施例中，运动极板110和运动极板120均包括支撑构件112、运动质量块114和电极层116。支撑构件112设置在运动质量块114的外围，并对运动质量块114进行支撑，以使得运动质量块114在外力作用下能够产生振动。在本实施例中，支撑构件112和运动质量块114均为硅基材料构成，且为一体结构。支撑构件112和运动质量块114均由单晶硅10以及形成于单晶硅10两面的二氧化硅层20构成。在其他的实施例中，支撑构件112和运动质量块114也可以为独立结构并通过键和技术进行相互连接。支撑构件112包括支撑主体1122和悬臂梁结构1124。支撑主体1122为中空结构，用于放置运动质量块114。悬臂梁结构1124分别与支撑主体1122和运动质量块114连接，从而实现对运动质量块114的支撑。在本实施例中，设置有四个悬臂梁结构1124，且四个悬臂梁结构1124对称分布于支撑主体1122上。在其他的实施例中，悬臂梁结构1124可以根据运动质量块114的质量以及大小进行设置，而并不限于本实施例中的具体结构。支撑构件112中的悬臂梁结构1124的长度、厚度以及宽度会影响器件的谐振频率，因此可以根据需要进行设计。在本实施例中，运动质量块114上还设置有多个凸点1142。多个凸点1142的高度满足振动式能量采集器在不受到外力作用时，凸点1142不与相邻的运动质量块114接触即可。运动质量块114上的凸点1142仅设置在于运动极板110和120的两个相对面上，从而可以避免运动极板110和120之间因为静电吸附力而相互接触粘附的情况发生。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种振动式能量采集器，其特征在于，包括偏置电压生成装置、至少两个层叠设置的运动极板以及设置在两个所述运动极板之间且用于使得相邻两个所述运动极板在无外力作用下保持预设间距的隔离装置；每个所述运动极板均包括支撑构件、运动质量块和电极层；所述支撑构件设置在所述运动质量块的外围并对所述运动质量块进行支撑；所述电极层设置在每个运动极板上与相邻运动极板相对的表面上；所述隔离装置设置在所述支撑构件上；所述偏置电压生成装置位于相邻两个所述运动极板之间且设置在其中一个的电极层表面；所述偏置电压生成装置用于在相邻两个所述运动极板之间形成固定电场。

【技术特征摘要】
1.一种振动式能量采集器，其特征在于，包括偏置电压生成装置、至少两个层叠设置的运动极板以及设置在两个所述运动极板之间且用于使得相邻两个所述运动极板在无外力作用下保持预设间距的隔离装置；每个所述运动极板均包括支撑构件、运动质量块和电极层；所述支撑构件设置在所述运动质量块的外围并对所述运动质量块进行支撑；所述电极层设置在每个运动极板上与相邻运动极板相对的表面上；所述隔离装置设置在所述支撑构件上；所述偏置电压生成装置位于相邻两个所述运动极板之间且设置在其中一个的电极层表面；所述偏置电压生成装置用于在相邻两个所述运动极板之间形成固定电场。2.根据权利要求1所述的振动式能量采集器，其特征在于，所述支撑构件和所述运动质量块均由硅基材料制成。3.根据权利要求1所述的振动式能量采集器，其特征在于，所述偏置电压生成装置为驻极体；所述驻极体上存在电荷分布从而为相邻两个运动极板提供偏置电压。4.根据权利要求1所述的振动式能量采集器，其特征在于，所述支撑构件包括支撑主体和悬臂梁结构；所述支撑主体为中空结构，用于放置所述运动质量块；所述悬臂梁结构分布与所述支撑主体、所述运动质量块连接。5.根据权利要求1所述的振动式能量采集器，其特征在于，所述隔离装置为绝缘层。6.根据权利要求1所述的振动式能量采集器，其特征在于，所述电极层为金属层或硅基导电材料层。7.根据权利要求1所述的振动式能量采集器，其特征在于，所述运动质量块上与相邻运动质量块相对的一面上设置有凸点；所述运动质量块上的凸点在所述运动质量块不受外力时不与相邻的运动质量块接触。8.一种振动式能量采集器的制备方法，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪飞，张玉龙，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东;44