一种双压电陶瓷基片俘能器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种双压电陶瓷基片俘能器，包括第一压电陶瓷基片、第二压电陶瓷基片、金属基片、第一、二、三、四电极、质量块和固定座，其中，第一压电陶瓷基片的上下表面分别涂覆第一、二电极，第二压电陶瓷基片的上下表面分别涂覆第三、四电极，而金属基片的上下表面分别与第二、三电极粘贴；各压电陶瓷基片、金属基片及电极的固定端宽度均大于或等于与其相对的自由端宽度，质量块固定在第一电极自由端上方，而所述各固定端均与固定座固定。此种俘能器具有低频高效的特点，大大提高器件的能量转换效率，降低器件的工作频率。本发明专利技术还公开一种方法简单、易于实现的双压电陶瓷基片俘能器的制备方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于能量转化与收集
，具体涉及一种低频高效的微型压电俘能器及其制备方法。
技术介绍
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量廉价的微型传感器节点通过无线通信的方式而形成的一个多跳的自组织网络系统。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、家居及城市管理、工业监控、反恐抗灾等许多领域都有重要的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。鉴于传感器网络技术的重大经济和社会意义，开展无线传感器网络方面的研究具有重要的意义。在无线传感器网络的研究中，目前存在一些亟待解决的问题，譬如，计算和存储能力，通信速率、能耗、安全性等问题，但是，在这些问题中，节点能量受限在某种程度上成为影响无线传感器网络效能发挥的最重要因素。因此，国内外学者广泛开展了无线传感器的自供能技术研究，其中，从环境振动中取能一直是国内外研究的重点，并以电磁、静电以及压电等几种方式为主。而基于压电效应的环境振动俘能方法由于具有结构简单、不发热、无电磁干扰、寿命几乎无限等优点，已经成为国内外研究的热点。振动式压电俘能器是一种由压电材料和弹性材料以及作为电极的金属材料复合而成的多层结构，多为悬臂梁接头，其结构大体可以分为两种，即只包含单块压电材料结构的单晶片结构以及包含两块键合在一起的压电层结构的双晶片结构。相对于单晶片结构， 相同条件下双晶片结构可获得更高的能量转换效率，因而，广泛应用于俘能器中。经对现有技术文献的检索发现，Swee-Leong Kok等人在《Measurement Science and Technology (测量科学和技术)》2009年第20期上发表的“Fabrication and characterisation of free-standing thick-film piezoelectric cantilevers for energy harvesting (用于能量采集的厚膜悬臂梁制备和表征)”，提及一种多层结构的悬臂梁俘能器，通过常规烧结的方法直接制备而成，因此压电厚膜的厚度和俘能器的工作频率可以得到较好的控制，但是由于制备工艺的限制，所制备的压电厚膜的横向压电系数较差， 因而俘能器的能量转换效率较低。又经检索发现，Vishwas Bedekar 等在《IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control (IEEE 超声、铁电体与频率控制汇刊)》2010 ^M 57 ^ "Design and fabrication of bimorph transducer for optimal vibration energy harvesting (双晶片式能量采集器的设计和制备)”，提出了一种悬臂梁结构的压电双晶片式俘能器，通过烧结PZTPZN体材料的方法制备，因而压电材料具有较好的横向压电系数，但是由于加工工艺的限制，俘能器的尺寸较大，工作频率较高。经检索还发现，杨春生等人在2010年申请的专利技术专利“压电双晶片式MEMS能量采集器及其制备方法”中，提到了压电双晶片式MEMS能量采集器的设计过程以及加工制备工艺，设计的压电能量采集器包括硅基底、压电薄膜、金属基片、电极以及环氧胶，主要采用体硅工艺进行加工制备。但是该技术中的压电薄膜采用提拉法制备，由于受工艺的限制，所制备的压电薄膜厚度一般在10微米以下，并且压电性能较差，因此，器件的能量转换效率较低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服目前各种压电俘能器存在的不足，提供，其具有低频高效的特点，大大提高器件的能量转换效率，降低器件的工作频率，且制备方法简单，易于实现。为了达成上述目的，本专利技术所采用的技术方案是一种双压电陶瓷基片俘能器，包括第一压电陶瓷基片、第二压电陶瓷基片、金属基片、 第一、二、三、四电极、质量块和固定座，其中，第一压电陶瓷基片的上下表面分别涂覆第一、 二电极，第二压电陶瓷基片的上下表面分别涂覆第三、四电极，而金属基片的上下表面分别与第二、三电极粘贴；各压电陶瓷基片、金属基片及电极的固定端宽度均大于或等于与其相对的自由端宽度，质量块固定在第一电极自由端上方，而所述各固定端均与固定座固定。上述第一、二压电陶瓷基片的厚度均为15um 60um。上述金属基片采用镍合金或不锈钢制成。上述金属基片的厚度为10um_50um。上述金属基片与第二、三电极之间分别通过环氧胶粘贴，且所述环氧胶的厚度为 3um_10umo上述质量块采用镍金属块或钨金属块制成。上述质量块与第一电极之间通过环氧胶粘贴。一种前述双压电陶瓷基片俘能器的制备方法，包括如下步骤(1)将两块上、下表面均涂覆有电极的压电陶瓷基片分别固化到金属基片的上、下表面，得到双压电晶片；(2)利用湿法刻蚀方式，去除双压电晶片正反两面的电极；(3)利用浸入方式的湿法刻蚀法刻蚀前述双压电晶片上下表面的压电陶瓷基片，使两面的压电陶瓷基片的厚度均减薄到15 60um，得到双压电陶瓷厚膜晶片；(4)利用溅射或真空蒸发方法制备双压电陶瓷厚膜晶片的上下两面的电极；(5)使用切片机切割双压电陶瓷厚膜晶片，使其形状满足应用的要求，并利用物理的方法将切割后的双压电陶瓷厚膜晶片的一端与一固定座固接，作为固支端，另一端自由悬挂， 得到双压电陶瓷厚膜悬臂梁；(6)采用环氧胶将质量块固定到双压电陶瓷厚膜悬臂梁的自由端，再引入电线，得到双压电陶瓷基片俘能器。上述步骤(1)的具体步骤为首先将双组分环氧胶用旋涂或丝网印刷方法均勻涂到两个相同的带有上、下电极的压电陶瓷基片的上、下表面，然后将前述压电陶瓷基片涂有环氧胶的一面分别贴到金属基片的两面，并水平放置；接着，在正上方施加0. 1 IMI^a的压力，并通过60 - 200°C下保温1-3小时的热处理工艺使环氧胶固化，得到双压电晶片。上述步骤(2)的具体步骤为(21)配制电极刻蚀液先将浓度为69%的硝酸和去离子水按体积比为21配置成刻蚀液；(22)用湿法腐蚀法刻蚀掉电极将双压电晶片浸没在步骤(21)中所配制刻蚀液中，刻蚀时间为5-10秒钟，然后用去离子水漂洗并晃动样品去除残留物。上述步骤(3)的具体步骤为(31)配制压电陶瓷基片刻蚀液先在常温下将NH4F(氟化铵)的饱和溶液和浓度为49% 的HF (氟化氢)溶液按体积比为2 3配制BHF溶液；接着用去离子水配制常温下NH4Cl的饱和溶液；HCl溶液的浓度为38%，H2O为去离子水，最后按体积比BHF =HCl =NH4Cl =H2O=I 2 4 4将所准备的四种溶液按BHF、H2O, HCUNH4Cl顺序混合配制成刻蚀液；(32)用湿法腐蚀减薄压电陶瓷基片将步骤(2)得到的双压电晶片浸没在步骤(31)所配制的刻蚀液中，刻蚀时间为10 30分钟，然后用40 80°C的蒸馏水中浸泡5 20分钟并晃动样品，去除刻蚀过程中产生的化学残留物；重复这个过程多次，直到压电陶瓷基片膜层厚度满足要求，得到双压电陶瓷厚膜晶片。采用上述方案后，本专利技术与现有技术相比，具有以下突出的优点(1)本专利技术所采用的压电陶瓷基片由常规的压电材料减薄得到，因而，膜的厚度可以灵活调节，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种双压电陶瓷基片俘能器，其特征在于：包括第一压电陶瓷基片、第二压电陶瓷基片、金属基片、第一、二、三、四电极、质量块和固定座，其中，第一压电陶瓷基片的上下表面分别涂覆第一、二电极，第二压电陶瓷基片的上下表面分别涂覆第三、四电极，而金属基片的上下表面分别与第二、三电极粘贴；各压电陶瓷基片、金属基片及电极的固定端宽度均大于或等于与其相对的自由端宽度，质量块固定在第一电极自由端上方，而所述各固定端均与固定座固定。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江兵，陈丽娟，许晓慧，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：84