本发明专利技术提供一种电磁式能量采集器，包括由柔性结构层形成的腔体，以及封装于所述腔体内的永磁体块；所述柔性结构层包括柔性基底，以及位于所述柔性基底上的平面线圈和永磁体阵列。所述永磁体阵列采用电镀方法制备，所述腔体优选采用折叠方式形成。本发明专利技术的能量采集器与IC工艺相兼容，可适用于需要器件变形的特殊环境；采用生物兼容性柔性材料作为柔性基底时，可以适合生物体应用，如内置生物传感器、生物医药监控和生物活体探测等。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微机电系统领域，涉及一种能量采集器及其制备方法，尤其涉及一种基于柔性基底的微机电系统电磁式能量采集器及其制备方法，可以采集环境低频运动能量。
技术介绍
随着社会生产需求的不断增长及微纳技术的快速发展，大量新型微纳器件与系统不断的开发出来并被广泛应用，特别是具有生物兼容性的用于防病治病的纳米药物输运和 定向治疗的微纳系统。目前这些微纳系统主要依靠电池来供电，而电池的寿命一般较短需要不断地更换。对于体积很小的微纳产品，更换电池是个复杂的操作，并可能会对产品造成不必要的损伤，特别是在人体植入式系统中，更换电池或充电更是困难并会给使用者带来很大的伤害。如果能够从环境中采集能量并转化为电能，微纳系统的供电问题就可以很好地解决了。由于振动在工业、建筑甚至生物体中(如肢体运动、血液流动、心脏跳动等)时刻存在，所以采集环境振动的微机电系统(MEMS)电磁式能量采集器得到了国内外同行的重视。在已经开展的研究中，由于基底材料多采用硅基，加工技术多采用粘连手段将永磁体装配到能量采集器中，导致器件生物兼容性、体积、效率等方面还有较大不足。特别是用于生物体内的产品，需要良好的生物兼容性和一定的柔韧性。Jong Cheol Park等人在“Micro-Fabricated Electromagnetic Power Generator to Scavenge Low AmbientVibration”(IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 46, NO. 6, JMNE 2010)中提出了一种包含永磁体NdFeB、悬臂梁、固定线圈和PDMS (Polydimethylsiloxane,聚二甲基娃氧烧)支架结构的电磁式能量采集器，在频率为54Hz加速度为0. 57g的振动下，输出功率是115. Iii W，输出电压是 68. ZmVtjIbrahim Sari 等人在“An electromagnetic micro energy harvesterbased on an array of Parylene cantilevers”( IOP JOMRNAL OF MICROMECHANICS ANDMICROENGINEERING 2009)中提出了一种包含固定永磁体NdFeB、Parylene悬臂梁、可动线圈的电磁式能量米集器。器件的体积为456mm3的，一个悬臂梁在频率为3. 4kHz的振动下，可以产生最大功率56pW、最大电压0. 67mV。Ibrahim Sari等人在“An electromagneticmicro power generator for low-freq U ency environmental vibrations based on thefrequency U pconversion techniq ii e”( IEEE J0MRNAL OF MICROELECTROMECHANICALSYSTEMS, VOL. 19，NO. I, FEBRMARY 2010)中提出了一种包含可动永磁体 NdFeB、Parylene悬臂梁、可动线圈的电磁式能量采集器。器件的体积是148.75mm3，单个悬臂梁在频率70-150HZ的外界振动下，可以产生0. 57mV，0. 25nW的能量。结构较为新奇，但永磁体的粘连较困难，且输出能量太低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于柔性基底的微机电系统(MEMS)电磁式能量采集器及其制备方法，使用柔性聚合物作为基底，代替目前广泛使用的硅材料；并利用电镀工艺制备能量采集器中的部分永磁体和全部铜线圈，结合MEMS表面微机械加工技术来制备能量采集器。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案 一种电磁式能量采集器，包括由柔性结构层形成的腔体，以及封装于所述腔体内的永磁体块；所述柔性结构层包括柔性基底，以及位于所述柔性基底上的平面线圈和永磁体阵列。进一步地，所述柔性基底为生物兼容性柔性聚合物，例如聚对二甲苯(Parylene)、PDMS (Polydimethylsiloxane,聚二甲基娃氧烧)等；也可以为其它柔性聚合物,如聚酰亚胺等。进一步地，所述永磁体阵列和所述平面线圈通过电镀工艺制成。进一步地,所述永磁体阵列采用CoNiMnP永磁材料。进一步地，所述腔体可以是四面体、正方体、长方体等，优选采用正方体结构。进一步地，所述柔性结构层还包括保护层，位于所述柔性基底上并覆盖所述永磁体阵列和所述平面螺旋线圈，用于提高能量采集器结构的稳定性和使用寿命。进一步地，所述腔体通过将所述柔性结构层折叠或粘接形成，优选采用折叠方式。一种电磁式能量采集器的制备方法，其步骤包括I)在硅片上沉积柔性基底层；2)溅射种子层；3)旋涂光刻胶，进行第一次光刻；4)电镀平面线圈；5)旋涂光刻胶，进行第二次光刻；6)电镀永磁体阵列；7)无掩膜曝光去种子层上的光刻胶、去除种子层；8)连线并覆盖保护层薄膜；9)将柔性结构层从硅片上剥离并形成腔体，将永磁体块封装入该腔体内。进一步地，采用蒸发冷凝的方式制作所述柔性基底层。进一步地，所述柔性基底层的厚度为lOiim。进一步地，所述种子层为Ti/Cu。进一步地，通过折叠或粘接方式形成所述腔体，优选采用折叠方式。本专利技术的柔性基底可折叠的MEMS电磁式能量采集器的优点和积极效果如下I)电镀法制备的永磁体以及三维微机械加工方法，使得能量采集器的尺寸更小，并可以与IC工艺相兼容。相比微装配或者手工粘连永磁体，电镀法制备的永磁体与平面螺旋线圈的间距进一步缩小，可以获得更大的输出功率；2)当采用聚合物柔性材料(Parylene)作为柔性基底，并结合PDMS作为结构保护膜时，具有很好的生物兼容性，适合生物体应用，不但为微纳传感器自我供电提供了技术途径，而且为微纳传感器在生物体内的无线应用提供了可能，可以应用于内置生物传感器、生物医药监控和生物活体探测等；3)采用柔性基底，器件具有一定程度的可变形性，适用于一些需要器件变形的特殊环境。附图说明图I为本专利技术实施例的电磁式能量采集器的立体结构示意图。图2为图I所示电磁式能量采集器折叠前的平面示意图。图3为图I所示电磁式能量采集器的柔性结构层的剖面示意图。图4为图I所示电磁式能量采集器内部的永磁铁块的示意图。图5为图I所示电磁式能量采集器的制作工艺流程图。其中0为硅衬底层，I为柔性基底层，2为种子层，3为光刻胶，4为平面螺旋线圈， 5为光刻胶,6为永磁体阵列,7为保护层,8为永磁体块。具体实施例方式下面通过具体实施例，并配合附图，对本专利技术做详细的说明。图I为本实施例的电磁式能量采集器的结构示意图，该能量采集器为正方体结构，包括柔性基底I、平面螺旋线圈4、永磁体阵列6以及封装在正方体结构的腔体内部的永磁体块(未示出)。该正方体式能量采集器由平面的柔性结构层薄膜折叠而成，图2为其折叠前平面柔性结构层的示意图，六个面均有平面螺旋线圈且尺寸相同，输出可以并联也可串联，具体情况可视需要而定。图3为图2所示的柔性结构层的剖面示意图。其中，柔性基底I为聚对二甲苯(Parylene)薄膜,平面螺旋线圈4和永磁体阵列6电镀于Parylene薄膜之上,永磁体阵列6位于平面螺旋线圈4内部，并用保护层本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种电磁式能量采集器，其特征在于，包括由柔性结构层形成的腔体，以及封装于所述腔体内的永磁体块；所述柔性结构层包括柔性基底，以及位于所述柔性基底上的平面线圈和永磁体阵列。2.如权利要求I所述的电磁式能量采集器，其特征在于，所述柔性基底为生物兼容性柔性聚合物，包括聚对二甲苯。3.如权利要求2所述的电磁式能量采集器，其特征在于，所述柔性基底为聚对二甲苯。4.如权利要求I所述的电磁式能量采集器，其特征在于，所述永磁体阵列采用CoNiMnP永磁材料。5.如权利要求I所述的电磁式能量采集器，其特征在于，所述腔体为正方体、长方体或四面体。6.如权利要求I至5任一项所述的电磁式能量采集器，其特征在于，还包括保护层，位于所述柔性基底上并覆盖所述永磁体阵...
【专利技术属性】
技术研发人员：张海霞，张守鹤，袁泉，贾若溪，韩梦迪，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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