压电-电磁复合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压电‑电磁复合式振动能量收集器及其制备方法，该振动能量收集器包括相互堆叠的第一衬底、第二衬底和第三衬底；所述第一衬底、所述第三衬底经刻蚀分别形成第一、第二悬臂梁结构，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第一悬臂梁结构，所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；所述第二衬底的上、下表面相对应的位置形成有第三凹槽和第四凹槽，以组装形成三组不同谐振频率的拾振结构。通过该制备方法所制备的振动能量收集器具有高的能量收集效率、输出功率和输出功率密度(W/cm

【技术实现步骤摘要】
压电-电磁复合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，尤其涉及一种基于压电效应和电磁感应原理的复合式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阔的发展和应用前景。根据不同的工作原理，振动能量收集器包括静电式、压电式及电磁式等几种类型，其中，静电式能量收集器需要额外辅助电源才能将动能转换为电能，其结构和操作复杂，因此，基于压电效应和法拉第电磁感应原理的压电式和电磁式振动能量收集器受到人们的广泛关注。压电式和电磁式能量收集器各有优缺点：压电式能量收集器输出电压高，但输出电流低；电磁式能量收集器恰与之相反。因此，将压电式和电磁式能量收集器相复合，充分发挥两者的优势，是提高能量收集器输出功率的有效方式。目前，压电-电磁复合型振动能量收集器通常为谐振型，即只有当收集器中拾振结构(如悬臂梁、薄膜等)的固有频率接近环境中的振动频率时，收集器才能高效地收集环境中的振动能量。但是，环境中的振动具有频带宽且多变的特点，另一方面，目前的压电-电磁复合式振动能量收集器大多只存在单一的拾振结构(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复合式谐振型振动能量收集器。
技术实现思路
基于上述问题，本专利技术提供了一种压电-电磁复合式振动能量收集器，其包括：相互堆叠的第一衬底、第二衬底和第三衬底；所述第一衬底、所述第三衬底经刻蚀分别形成第一、第二悬臂梁结构，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第一悬臂梁结构，所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；所述第二衬底的上、下表面相对应的位置形成有第三凹槽和第四凹槽，所述第三凹槽和所述第四凹槽之间间隔第二衬底薄膜；所述第三凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第三凹槽相对堆叠，所述第二凹槽与所述第四凹槽相对堆叠；所述第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一压电-电磁复合拾振结构，所述第二悬臂梁结构的外侧表面设置有第二压电-电磁复合拾振结构。优选地，还包括设置在所述第一悬臂梁结构末端的第一质量块，和/或还包括设置在所述第二悬臂梁结构末端的第二质量块。优选地，所述第一压电-电磁复合拾振结构包括设置在所述第一悬臂梁表面的第一压电层与第一电感线圈层；和/或所述第二压电一电磁复合拾振结构包括设置在所述第二悬臂梁表面的第二压电层与第二电感线圈层；所述第一压电层、所述第二压电层分别与所述第一电感线圈层、所述第二电感线圈层相绝缘隔离。优选地，所述第一凹槽、所述第二凹槽、所述第三凹槽、所述第四凹槽的表面设置有绝缘层。优选地，所述第一压电层包括第一压电材料层以及形成在该第一压电材料层的上、下表面的上、下电极；和/或所述第二压电层包括第二压电材料层以及形成在该第二压电材料层的上、下表面的上、下电极。本专利技术还提出了一种压电-电磁复合式振动能量收集器的制备方法，其包括以下步骤：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；在所述第一衬底与所述下表面相对的上表面沉积第一压电层；在所述第一压电层上方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，形成第一悬臂梁结构；选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的上、下表面，形成第三凹槽结构、第四凹槽结构，所述第三凹槽结构和所述第四凹槽结构间隔残留的所述第二衬底薄膜相对设置；在所述第二衬底的上表面形成的所述第三凹槽结构内安装永磁体；选择第三衬底，执行与所述第一悬臂梁结构相同的制备步骤形成第二悬臂梁结构；其中所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；将所述第一衬底的第一凹槽结构正对所述第二衬底的第三凹槽结构、所述第二衬底的第四凹槽结构正对所述第三衬底的第二凹槽结构进行组装，制成所述压电-电磁复合式振动能量收集器。优选地，在所述第一凹槽结构、所述第二凹槽结构、所述第三凹槽结构、所述第四凹槽结构表面沉积绝缘层。优选地，在所述第一悬臂梁结构末端、所述第二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，沉积所述第一压电层、所述第二压电层包括沉积下电极、压电材料层、上电极的步骤。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的压电-电磁复合式振动能量收集器结合了压电式和电磁式能量收集器的优点，有助于提高能量收集器输出功率；(2)具有三组不同谐振频率的拾振结构，可以实现对环境中的振动进行宽频带、高效率的拾取，具有高的能量收集效率和高的输出功率；集成了两组压电式能量收集器和两组电磁式能量收集器进行能量收集，这进一步提高了收集器的能量收集效率和输出功率；相比于现有技术中具有单一拾振结构的压电-电磁复合式能量收集器，本专利技术的能量收集器的面积与并无明显增加，并且远小于现有技术中其它具有多个拾振结构的压电-电磁复合式能量收集器，因此，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)的优点，易于实现器件的小型化。(3)本专利技术采用MEMS技术制备，还具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及制造成本低的优点。【附图说明】图1为为本专利技术的能量收集器剖面结构示意图；图2为本专利技术的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、第一下压电电极，13、第一压电材料层，14、第一上压电电极，15、第二绝缘层，16、第一电感线圈层，17、第一质量块，18、第三绝缘层，19、第一凹槽，20、第二衬底，21、第四绝缘层，22、第三凹槽，23、永磁体，24、第五绝缘层，25、第四凹槽，30、第三衬底，31、第六绝缘层，32、第二下压电电极，33、第二压电材料层，34、第二上压电电极，35、第七绝缘层，36、第二电感线圈层，37、第二质量块，38、第八绝缘层，39、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压电-电磁复合式振动能量收集器，该压电-电磁复合式振动能量收集器具有多个拾振结构和谐振频率，并且能够获得高的能量收集效率。该压电-电磁复合式振动能量收集器包括：相互堆叠的第一衬底10、第二衬底20和第三衬底30；第一衬底10、第三衬底30经刻蚀分别形成第一、第二悬臂梁结构，其中第一衬底10的下表面形成有第一凹槽19、第一凹槽19上方为第一悬臂梁结构，第三衬底30的上表面形成有第二凹槽39、第二凹槽39下方为第二悬臂梁结构。第二衬底20的上、下表面相对应的位置形成有第三凹槽22和第四凹槽25，第三凹槽22和第四凹槽25被第二衬底薄膜间隔开，该第二衬底薄膜形成为例如方形、圆形或其它形状的膜结构，在本实施方式中，形成为方形膜结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电‑电磁复合式振动能量收集器，其特征在于，其包括：相互堆叠的第一衬底、第二衬底和第三衬底；所述第一衬底、所述第三衬底经刻蚀分别形成第一、第二悬臂梁结构，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第一悬臂梁结构，所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；所述第二衬底的上、下表面相对应的位置形成有第三凹槽和第四凹槽，所述第三凹槽和所述第四凹槽之间间隔第二衬底薄膜；所述第三凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第三凹槽相对堆叠，所述第二凹槽与所述第四凹槽相对堆叠；所述第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一压电‑电磁复合拾振结构，所述第二悬臂梁结构的外侧表面设置有第二压电‑电磁复合拾振结构。

【技术特征摘要】
1.一种压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于，其包括：相互堆叠的第一衬底、第二衬底和第三衬底；所述第一衬底、所述第三衬底经刻蚀分别形成第一、第二悬臂梁结构，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第一悬臂梁结构，所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；所述第二衬底的上、下表面相对应的位置形成有第三凹槽和第四凹槽，所述第三凹槽和所述第四凹槽之间间隔第二衬底薄膜；所述第三凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第三凹槽相对堆叠，所述第二凹槽与所述第四凹槽相对堆叠；所述第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一压电-电磁复合拾振结构，所述第二悬臂梁结构的外侧表面设置有第二压电-电磁复合拾振结构。2.根据权利要求1所述压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于，还包括设置在所述第一悬臂梁结构末端的第一质量块，和/或还包括设置在所述第二悬臂梁结构末端的第二质量块。3.根据权利要求1所述压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于，所述第一压电-电磁复合拾振结构包括设置在所述第一悬臂梁表面的第一压电层与第一电感线圈层；和/或所述第二压电-电磁复合拾振结构包括设置在所述第二悬臂梁表面的第二压电层与第二电感线圈层；所述第一压电层、所述第二压电层分别与所述第一电感线圈层、所述第二电感线圈层相绝缘隔离。4.根据权利要求1所述压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于，所述第一凹槽、所述第二凹槽、所述第三凹槽、所述第四凹槽的表面设置有绝缘层。5.根据权利要求3所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于，所述第一压电层包括第一压电材料层以及形成在该第一压电材料层的上、下表面的上、下电极；和/或所述第二压电层包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓东，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