基于ＭＥＭＳ的平面振动双螺旋压电换能器制造技术

基于ＭＥＭＳ的平面振动双螺旋压电换能器，涉及一种换能器，尤其是涉及一种基于微机电系统（ＭＥＭＳ）技术，主要应用于环境中的低频振动能量收集，还可用于惯性传感器、加速计、陀螺仪、作动器等的平面振动双螺旋压电换能器。提供一种基于ＭＥＭＳ的平面振动双螺旋压电换能器。设有外壳、ＰＺＴ压电薄膜、两组大质量块、两对电极和一对接线端。换能器平面振动，即收集平面内振动的机械能；双螺旋状压电梁式结构，ｄ３１工作模式的压电器件，能够产生较大的机电耦合特性；新颖可靠的电极结构能够同时用于极化和传导，电极串联输出；采用ＭＥＭＳ工艺制作，与硅加工工艺兼容，易与其它基于ＭＥＭＳ工艺的传感器集成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种换能器，尤其是涉及一种基于微机电系统(MEMS)技术，主要应用于 环境中的低频振动能量收集，还可用于惯性传感器、加速计、陀螺仪、作动器等的平面振动 双螺旋压电换能器。
技术介绍
目前广泛研究的换能器从工艺制备上分为非MEMS换能器与MEMS换能器。采用MEMS 工艺的换能器在收集环境中低频振动中的有效能量时，换能器较高的固有频率与环境中低频 振动源的匹配性，是制约器件得以实现的关键问题。解决这一问题的途径之一，是通过压电 材料与硅微机械结构的耦合设计来实现。这种压电型换能器的结构通常采用如下步骤获得把一层压电薄膜覆盖在金属梁或平板上，在梁的末端加载一定重量的质量块来降低谐振频率， 通过梁的振动，拾取梁上压电薄膜的应力应变产生的电荷。但是，采用此方法存在如下挑战1) 压电型MEMS换能器需要工作于谐振状态以产生足够大的机械应力和应变转换为电 能，因此要求器件的机械结构有足够低的谐振频率与振动源相匹配；2) 质量块的位移应尽可能地大；3) 整个器件应产生一致的应力和应变以便于获得最大的机电耦合；4) 压电层的覆盖面积应尽可能地大，以便于拾取最多的电荷；5) 选择的压电材料要有高的机电耦合系数、压电系数等性能参数，制造工艺相对成熟， 可与MEMS结构良好兼容等优点；6) 材料的压电模式应产生大的机电耦合特性；7) 输出性能稳定。在前期研究中，压电型MEMS换能器结构形式多为悬臂梁式( S P Beeby, M J Tudor and N M White. Energy harvesting vibration sources for Microsystems applications. Meas. Sci. Technol. 17: R175—R195, 2006; Y. Jeon， R. Sood, J. Jeong and S. Kim, "MEMS power generator with transverse mode thin film PZT"， Sensors and Ac加ators A: Physical, vol. 122, pp. 16-22, 2005; S Roundy， P K Wright and J M Rabaey. Energy Scavenging for Wireless Sensor Networks. Norwell, MA: Kluwer-Academic， 2003)，在梁的尾端加载较大的质量块。这种结构虽然能够通过增加悬臂梁自由端集中质量或梁长高比来降低换能器的固有频率，但易导致梁的抗弯刚度不够而 稳定性差，进而机电耦合特性下降。这种结构的补救措施可将悬臂梁设计成锥状，但因此又 会导致失去大量有效可使用的能量收集面积，从而导致输出功率降低。换能器的实现有两种工作模式，d31(压电材料外部施加的应力方向3与极化方向1垂直) 压电模式和d33(压电材料外部施加的应力方向3与极化方向3 —致)压电模式( N J Kidner, Z J Homrighaus, T 0 Mason, E J Garboczi. Modeling interdigital electrode structures for the dielectric characterization of electroceramic thin films. Thin Solid Films, 496: 539-545， 2006)。 d31 模式下，压电材料的电极为平板式电极，外部振动引起的应力和机械形变与产生的电场方向 相互垂直；d31模式实现的作动器/传感器通用方法将压电薄膜平敷于两个导电层之间，即 压电层。导电层和压电层再置于整个结构材料上。但是，存在如下问题1)压电薄膜瘦长， 输出电压较低；2)相似尺寸的压电材料，d33模式的开路电压能够比d31模式高很多。d33模式下，压电材料的电极为表面叉指电极，外部振动引起应力和机械形变与产生的电场方向相同。考虑d33模式的叉指电极采集电荷的面积远小于d31模式的平板电极，因此，在采集 电荷量的性能上d31模式仍优于d33模式。由于螺旋状结构压电换能器不仅可以降低结构的固有频率，又可以减小结构最大尺寸， 有利于换能器的微型化( Chen B, Sheesetnan B A, Safari S， Danforth S C, Chou T W. Theoretical and numerical predictions of the electromechanical behavior of spiral-shaped lead zirconate titanate(PZT) actuators. IEEE Trans.Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control 2002,49 319-326; Choi W J,Jeon Y.,Jeong J H,Sood R,Kim S G. Energy harvesting MEMS device based on thin film piezoelectric cantilevers. J.Electroceram，2006，17 543-548; Hu Y,Hu H and Yang J，A low frequency piezoelectric power harvester using a spiral-shaped bimorph. Science in China Series g: Physics, Mechanics &Astronomy 2006,49 649-659)。现有的螺旋状压电结构研 究主要是基于作动器实现，在换能器实现上，螺旋状压电结构设计还没有仅限于平面振动， 螺旋弹簧的上下(Z向)振动会导致压电材料沿着螺旋长度方向应力应变交替变化电荷无法 收集，导致电极结构设计难度大大增加。非MEMS换能器结构形式多为悬臂梁式，结构形式及制造工艺易于实现( Luan Guidong, Zhang Jinduo, Wang Renqian. Piezoelectric Transducers and Arrays. Beijing University Press, Beijing, 2005; Sunghwan Kim, Low power energy harvesting with piezoelectric generators, ,University of Pittsburgh, 2002; Timothy Eggborn,Analytical Models to Predict Power Harvesting with Piezoelectric Materials, , Virginia PolytechnicInstitute and State University, 2003; Shad Roundy， Eli S. Leland， et al. Improving Power Output for Vibration-Based Energy Scavenger本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于ＭＥＭＳ的平面振动双螺旋压电换能器，其特征在于设有：　外壳；　两组阿基米德螺旋压电弹簧，在振动源的激励下，两组阿基米德螺旋压电弹簧作平面内振动；　ＰＺＴ压电薄膜，ＰＺＴ压电薄膜设在两组阿基米德螺旋压电弹簧上，ＰＺＴ压电薄膜用于收集两组阿基米德螺旋压电弹簧上因压电效应产生的电荷；　两组大质量块，两组大质量块分别连接于两组阿基米德螺旋压电弹簧的尾部，两组大质量块用于降低双螺旋压电换能器较高的固有频率，以与环境中低频振动源相匹配，实现在谐振状态下对低频振动环境的能量采集和转换；　两对电极，两对电极用于换能器的电极极化和传感，两对电极的工作模式为ｄ３１压电模式；　一对接线端，每个接线端部当中的第一端与正负工作电极相连，在外壳内，这一对接线端部当中的每一个的第二端部设置在所述外壳之外。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董涛，杨朝初，牛群峰，王莉，魏孔军，张玉龙，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：92[中国|厦门]