一种电磁式振动能量收集器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种电磁式振动能量收集器及其制备方法，相互堆叠的第一衬底和第二衬底；所述第一衬底经刻蚀形成悬臂梁结构，其中，所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽、所述第一凹槽上方为悬臂梁结构；所述第二衬底的上表面形成有第二凹槽；所述第二凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第二凹槽相对堆叠且形成腔体；所述第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一电磁拾振结构，所述第二衬底的下表面设置有第二电磁拾振结构。通过本发明专利技术的制备方法制备的电磁式振动能量收集器具有较高的能量收集效率、输出功率和输出功率密度(W/cm

【技术实现步骤摘要】
一种电磁式振动能量收集器及其制备方法
本专利技术涉及一种收集环境中振动能量的能量收集器及其制备方法，特别地涉及一种基于电磁感应原理的谐振型振动能量收集器及其制备方法。
技术介绍
能量收集器可拾取环境能量(如辐射、温差、振动等)并转化为电能为系统供电。与传统的电化学电池比较，能量收集器具有经济、环保且理论上无寿命限制等优点，因此符合能源的未来发展趋势，非常适合于为物联网、可穿戴设备等新兴领域提供电能。太阳能、电磁辐射、温差、振动等都是可拾取的环境能源，与其它环境能源相比，振动是一种分布广泛的能量源，因此，振动能量收集器具有广阅的发展和应用前景。在各种类型的振动能量收集器中，基于法拉第电磁感应原理的电磁式振动能量收集器的发展最为成熟。一个典型的电磁式能量收集器主要由电感线圈和永磁体两部分构成，其中，电感线圈(或永磁体)设置在悬臂梁等可动结构上，而永磁体(或电感线圈)则设置在固定结构上，在振动环境中，电感线圈和永磁体发生相对运动，进而在电感线圈中产生感应电流。为了提高能量收集效率，要求该类电磁式能量收集器工作在谐振状态附近(即要求收集器中拾振结构(如悬臂梁、薄膜等)的固有频率接近外界环境中的振动频率)，但是，环境中的振动具有频带宽且多变的特点，另一方面，目前的电磁式振动能量收集器通常只存在单一的谐振结构(或谐振频率)，它的能量收集效率较低。因此，有必要提出一种新的电磁式振动能量收集器。
技术实现思路
基于上述问题，本专利技术提供了一种电磁式振动能量收集器，其包括：相互堆叠的第一衬底和第二衬底；所述第一衬底经刻蚀形成悬臂梁结构，其中，所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽、所述第一凹槽上方为悬臂梁结构；所述第二衬底的上表面形成有第二凹槽；所述第二凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第二凹槽相对堆叠且形成腔体；所述第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一电磁拾振结构，所述第二衬底的下表面设置有第二电磁拾振结构。优选地，还包括设置在所述悬臂梁结构末端的质量块。优选地，所述第一电磁拾振结构包括设置在所述第一悬臂梁表面的第一电感线圈层；和/或所述第二电磁拾振结构包括设置在所述第二衬底的下表面的第二电感线圈层。优选地，所述第一电感线圈层与所述第一衬底之间、所述第二电感线圈层与所述第二衬底之间设置有绝缘层。优选地，所述第一凹槽、所述第二凹槽的表面设置有绝缘层。本专利技术还提供了一种电磁式振动能量收集器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：选择第一衬底，刻蚀所述第一衬底的下表面，形成第一凹槽结构；在所述第一衬底的上表面沉积并刻蚀形成第一电感线圈层；刻蚀所述第一衬底的上表面，形成悬臂梁结构；选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的上表面，形成第二凹槽结构；在所述第二衬底的上表面形成的所述第二凹槽结构内安装永磁体；在所述第二衬底的下表面沉积形成第二电感线圈层；将所述第一衬底的第一凹槽结构正对所述第二衬底的第二凹槽结构进行组装，制成所述电磁式振动能量收集器。优选地，还包括以下步骤：在所述第一凹槽结构、所述第二凹槽结构表面沉积绝缘层。优选地，还包括以下步骤：在所述第一悬臂梁结构末端安装质量块。优选地，所述组装包括键合工艺。优选地，所述第一衬底和所述第一电感线圈层以及所述第二衬底和所述第二电感线圈之间沉积有绝缘层。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的电磁式能量收集器具有两组谐振频率不同的拾振结构，可以实现对环境中的振动进行宽频带、高效率的拾取，因此，本专利技术的能量收集器具有高的能量收集效率和高的输出功率；(2)采用两组电感线圈进行能量收集，这进一步提高了收集器的能量收集效率和输出功率；在面积与现有的电磁式能量收集器相比并无明显增加的情况下，本专利技术的能量收集器还具有结构紧凑、输出功率密度高(W/cm2)以及易于小型化的优点。(3)本专利技术采用MEMS技术制备，能量收集器还具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造、制造成本低的优点。【附图说明】图1为本专利技术的电磁式振动能量收集器的剖面结构示意图；图2为本专利技术的电磁式振动能量收集器中第一电感线圈层的平面结构俯视图。图中：10、第一衬底，11、第一绝缘层，12、第一电感线圈层，13、质量块，14、第二绝缘层，15、第一凹槽，20、第二衬底，21、第三绝缘层，22、第二电感线圈层，23、永磁体，24、第四绝缘层，25、第二凹槽。【具体实施方式】为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本专利技术做详细说明，使本专利技术的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。实施例1参见图1和图2，本专利技术提供了一种电磁式振动能量收集器，该电磁式振动能量收集器包括相互堆叠的第一衬底10和第二衬底20，该第一衬底10经刻蚀形成悬臂梁结构，在该悬臂梁结构的外侧设有第一电磁拾振结构，第一衬底10的下表面形成有第一凹槽15、该第一凹槽15上方为悬臂梁结构；第二衬底20的上表面的与第一凹槽15的位置相对应的位置形成有第二凹槽25，该第二凹槽25中设置有永磁体23，第二凹槽25的底部通常呈方形膜结构；第二衬底20的下表面设置有第二电磁拾振结构；第一凹槽15与第二凹槽25相对堆叠且形成腔体。在本实施方式中，第一衬底10下表面中央区域形成有第一凹槽15，在该第一凹槽15的上方设置有悬臂梁结构，在所述悬臂梁结构外侧的第一电磁拾振结构包括第一电感线圈层12，在该第一电感线圈层12和第一衬底上表面之间还设有第一绝缘层11；该电磁式能量收集器还包括设置在该悬臂梁结构末端的质量块13，该质量块13为金属材料，通过调整质量块13的质量可以调节悬臂梁结构的谐振频率，不限于此，质量块13的位置还可以设置在其它需要的位置，质量块13的数量还可以是两个或者多个。上述仅用于说明，不能理解成对本专利技术的限制。在本专利技术的电磁式振动能量收集器中，第一衬底10的下表面和第二衬底20的上表面贴合在一起，且第一凹槽15和第二凹槽25对齐，通过粘合或者键合的方法来组装第一衬底10和第二衬底20。第一衬底10和第二衬底20为刚性衬底，如硅、玻璃；第一衬底10和第二衬底20的材料可以相同，也可以不同。另外，第一凹槽15和第二凹槽25的深度为100μm～500μm。第一绝缘层11和第四绝缘层21为厚度在100nm～1000nm的SiO2、Si3N4的至少一种。第一绝缘层11的作用在于实现第一电感线圈层12与第一衬底10的电隔离；第四绝缘层21的作用在于实现第二电感线圈层22与第二衬底20的电隔离。第一电感线圈层12和第二电感线圈层22包括一层Ti或Cr和一层Cu复合构成的复合层，线圈层厚度在1μm～10μm。其中，Ti或Cr用于增加电感线层与绝缘层的粘附性，Cu用于降低电感线的寄生电阻以提高电感的品质因数。第二绝缘层14和第三绝缘层24为SiO2、Si3N4的至少一种，厚度在200nm～2μm。第二绝缘层14的作用在于实现第一衬底10与第二衬底20的电隔离；第三绝缘层24的作用在于实现第一衬底10与第二衬底20的电隔离以及第二衬底20与永磁体23的隔离。第一衬底10的悬臂梁结构和第二衬底20的方形膜结构的谐振频率在101Hz～103Hz范围，悬臂梁结构的谐振频率和方形膜结构的谐振频率相差一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁式振动能量收集器，其特征在于，其包括：相互堆叠的第一衬底和第二衬底；所述第一衬底经刻蚀形成悬臂梁结构，其中，所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽、所述第一凹槽上方为悬臂梁结构；所述第二衬底的上表面形成有第二凹槽；所述第二凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第二凹槽相对堆叠且形成腔体；所述第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一电磁拾振结构，所述第二衬底的下表面设置有第二电磁拾振结构。

【技术特征摘要】
1.一种电磁式振动能量收集器，其特征在于，其包括：相互堆叠的第一衬底和第二衬底；所述第一衬底经刻蚀形成悬臂梁结构，其中，所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽、所述第一凹槽上方为悬臂梁结构；所述第二衬底的上表面形成有第二凹槽；所述第二凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第二凹槽相对堆叠且形成腔体；所述第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一电磁拾振结构，所述第二衬底的下表面设置有第二电磁拾振结构。2.根据权利要求1所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，还包括设置在所述悬臂梁结构末端的质量块。3.根据权利要求1所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述第一电磁拾振结构包括设置在所述第一悬臂梁表面的第一电感线圈层；和/或所述第二电磁拾振结构包括设置在所述第二衬底的下表面的第二电感线圈层。4.根据权利要求1所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述第一电感线圈层与所述第一衬底之间、所述第二电感线圈层与所述第二衬底之间设置有绝缘层。5.根据权利要求1所述的电磁式振动能量收集器，其特征在于，所述第一凹槽、所述第二凹槽的表面设置有绝缘层。6.一种电磁式振动能量收...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓东，石晶晶，黄见秋，黄庆安，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32