静电式振动能量采集器及其制备方法技术

一种静电式振动能量采集器，包括变间距式可变电容结构以及偏置电压生成装置；变间距式可变电容结构包括固定极板和运动极板；固定极板包括第一基体和第一电极层；第一基体上开设有凹槽；第一电极层形成于第一基体上开设有凹槽的一面；运动极板与固定极板相对设置；运动极板包括支撑构件、运动质量块和第二电极层；支撑构件用于支撑运动质量块并使得运动质量块位于凹槽上方；运动质量块上与凹槽相对的一面和凹槽内至少有一处设置有凸点；偏置电压生成装置用于生成偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场。上述静电式振动能量采集器的结构简单且稳定性较好。本发明专利技术还涉及一种静电式振动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
，特别是涉及一种静电式振动能量采集器及其制备方法。
技术介绍
能量采集技术作为一种新型的供电方式，通过能量采集器将随处可见的再生能源，如机械振动、风能、太阳能、热能、核能等转换为电能，并结合相匹配的电源管理电路，为负载提供电能。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。传统的静电式振动能量采集器的结构较为复杂且稳定性较差，不适合大规模低成本生产。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种结构简单且稳定性较好的静电式振动能量采集器及其制备方法。一种静电式振动能量采集器，包括变间距式可变电容结构以及偏置电压生成装置；所述变间距式可变电容结构包括固定极板和运动极板；所述固定极板包括第一基体和第一电极层；所述第一基体上开设有凹槽；所述第一电极层形成于所述第一基体上开设有凹槽的一面；所述运动极板与所述固定极板相对设置；所述运动极板包括支撑构件、运动质量块和第二电极层；所述支撑构件与所述第一基体连接；所述支撑构件用于支撑所述运动质量块并使得所述运动质量块位于所述凹槽上方；所述第二电极层形成于所述运动极板上与所述固定极板相对的一面；所述运动质量块上与所述凹槽相对的一面和所述凹槽内至少有一处设置有凸点；所述偏置电压生成装置用于生成偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场。在其中一个实施例中，所述第一基体、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；所述驻极体覆盖在所述第一电极层表面；所述驻极体上存在电荷分布从而为所述变间距式可变电容结构提供偏置电压。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；所述悬臂梁结构分别与所述支撑主体、所述运动质量块连接。在其中一个实施例中，所述第一基体的凹槽内设置有多个凸点；所述运动质量块上对应位置处同样设置有凸点；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所述第一基体上的凸点接触。一种静电式振动能量采集器的制备方法，包括步骤：制备固定极板；所述固定极板包括第一基体和第一电极层；所述第一基体上开设有凹槽；所述第一电极层形成于所述第一基体上开设有凹槽的一面；制备运动极板；所述运动极板包括支撑构件、运动质量块和第二电极层；所述支撑构件用于支撑所述运动质量块；所述第二电极层形成于所述运动极板上与所述固定极板相对的一面；所述运动质量块上与所述凹槽相对的一面和所述凹槽内至少有一处设置有凸点；提供偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场；以及将所述固定极板与所述运动极板相对设置并固定连接；所述支撑构件与所述第一基体连接；所述运动质量块在所述支撑构件的支撑作用下位于所述凹槽的上方。在其中一个实施例中，所述制备方法均采用MEMS微加工工艺来制备；所述第一基体、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，所述制备固定电极的步骤包括：提供双面形成有二氧化硅层的晶片；在所述晶片双面形成光刻胶，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，刻蚀单晶硅得到凸点；采用等离子体干法刻蚀工艺去除凸点表面的二氧化硅层；以二氧化硅层为掩膜层，刻蚀单晶硅形成凹槽；在所述晶片的凹槽所在面形成一
层金属层作为第一电极层。在其中一个实施例中，所述提供偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场的步骤包括：在所述第一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。在其中一个实施例中，所述制备运动极板的步骤包括：提供双面形成有二氧化硅层的晶片；在所述晶片双面形成光刻胶，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，并形成与固定极板上的凸点对应的凸点；在有凸点的一侧形成一层金属层作为第二电极层。上述静电式振动能量采集器包括变间距可变电容结构，该变间距可变电容结构包括固定极板和运动极板。其中，固定极板包括第一基体和第一电极层，运动极板则包括支撑构件、运动质量块以及第二电极层，整体结构较为简单，有利于大规模低成本生产。并且，运动质量块上与所述凹槽相对的一面和第一基体的凹槽内至少有一处设置有凸点，凸点能够起到防静电吸附作用，从而避免器件工作时，由于静电吸附作用导致固定极板与运动极板粘附在一起无法分开而损坏器件的情况发生，器件性能较为稳定，有利于延长器件的使用寿命。附图说明图1为一实施例中的静电式振动能量采集器的轴测图；图2为图1中的静电式振动能量采集器的轴测剖视图；图3为图1中的静电式振动能量采集器的剖视图；图4为图1中的固定极板的结构示意图；图5为图1中的运动极板的结构示意图；图6为一实施例中的静电式振动能量采集器的制备方法的流程图；图7为图6中步骤S610的具体流程图；图8a～8h为与图7中的制备流程对应的器件的结构示意图；图9为图6中步骤S620的具体流程图；图10a～10h为与图9中的制备流程对应的器件的结构示意图；图11为一实施例中的静电式振动能量采集器的测试电路示意图；图12为一实施例中的静电式振动能量采集器工作时最佳负载电阻的测试曲线；图13为一实施例中的静电式振动能量采集器在外部负载阻值是8.5MΩ时，正弦驱动信号频率从245Hz到305Hz变化时的输出功率变化曲线；图14为一实施例中的静电式振动能量采集器在外部驱动信号为随机信号时，测试带通(272±12.5Hz)情况下的输出功率变化图。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。一种静电式振动能量采集器，能够将振动能量转换为电能进行存储或者向外供电。一实施例中的静电式振动能量采集器采用变间距式可变电容结构，其包括固定极板100、运动极板200以及偏置电压生成装置(图1中未示)，如图1所示。图2作为该静电式振动能量采集器的轴测剖视图；图3为该静电式振动能量采集器的剖视图；图4为固定极板100的结构示意图，图5为运动极板200的结构示意图。下面结合图1～图5对本实施例中的静电式振动能量采集器做详细说明。固定极板100包括第一基体110和第一电极层120。在本实施例中，第一基体110为硅基材料制备而成，包括晶向为(100)的单晶硅310，以及形成于单晶硅310双面的二氧化硅层320本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静电式振动能量采集器，其特征在于，包括变间距式可变电容结构以及偏置电压生成装置；所述变间距式可变电容结构包括固定极板和运动极板；所述固定极板包括第一基体和第一电极层；所述第一基体上开设有凹槽；所述第一电极层形成于所述第一基体上开设有凹槽的一面；所述运动极板与所述固定极板相对设置；所述运动极板包括支撑构件、运动质量块和第二电极层；所述支撑构件与所述第一基体连接；所述支撑构件用于支撑所述运动质量块并使得所述运动质量块位于所述凹槽上方；所述第二电极层形成于所述运动极板上与所述固定极板相对的一面；所述运动质量块上与所述凹槽相对的一面和所述凹槽内至少有一处设置有凸点；所述偏置电压生成装置用于生成偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场。

【技术特征摘要】
1.一种静电式振动能量采集器，其特征在于，包括变间距式可变电容结构以及偏置电压生成装置；所述变间距式可变电容结构包括固定极板和运动极板；所述固定极板包括第一基体和第一电极层；所述第一基体上开设有凹槽；所述第一电极层形成于所述第一基体上开设有凹槽的一面；所述运动极板与所述固定极板相对设置；所述运动极板包括支撑构件、运动质量块和第二电极层；所述支撑构件与所述第一基体连接；所述支撑构件用于支撑所述运动质量块并使得所述运动质量块位于所述凹槽上方；所述第二电极层形成于所述运动极板上与所述固定极板相对的一面；所述运动质量块上与所述凹槽相对的一面和所述凹槽内至少有一处设置有凸点；所述偏置电压生成装置用于生成偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场。2.根据权利要求1所述的静电式振动能量采集器，其特征在于，所述第一基体、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所述的静电式振动能量采集器，其特征在于，所述偏置电压生成装置为驻极体；所述驻极体覆盖在所述第一电极层表面；所述驻极体上存在电荷分布从而为所述变间距式可变电容结构提供偏置电压。4.根据权利要求1所述的静电式振动能量采集器，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；所述悬臂梁结构分别与所述支撑主体、所述运动质量块连接。5.根据权利要求1所述的静电式振动能量采集器，其特征在于，所述第一基体的凹槽内设置有多个凸点；所述运动质量块上对应位置处同样设置有凸点；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所述第一基体上的凸点接触。6.一种静电式振动能量采集器的制备方法，包括步骤：制备固定极板；所述固定极板包括第一基体和第一电极层；所述第一基体上开设有凹槽；所述第一电极层形成于所述第一基体上开设有凹槽的一面；制备运动极板；所述运动极板包括支撑构件、运动质量块和第二电极层；
\t所述支撑构件用于支撑所述运动质量块；所述第二电极层形成于所述运动极板上与所述固定极板相对的一面；所述运动质量块上与所述凹槽相对的一面和所述凹槽内至少有一处设置有凸点；提供偏置电压以在固定极板和运动极板之间形...

【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