易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器的製作方法

2023-11-02 03:21:32

專利名稱：易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器的製作方法
技術領域：
本發明涉及振動能量採集器領域，具體涉及一種易於集成製造的高性能微型電磁 式振動能量採集器。
背景技術：
半導體製造技術的不斷進步使得電子器件和產品向著微型化方向發展，藍牙技術 和低功耗通訊標準(如Zigbee和IEEE802. 15. 4)的出現很大程度上推動了微型無線傳感 網絡和通訊節點的研究，微機電系統由於具有能耗低、體積小、功能大、可批量生產等特點 也正在迅速發展。但是，與無線傳感產品和微機電系統器件的體積不斷減小相比，供電問題 正成為它們發展的一個很大障礙。此外，新型微納器件、納米結構光電子器件，以及用於防 病治病的納米藥物輸運和定向治療等技術的不斷發展，其各自的供電問題正成為困擾其廣 泛應用的主要障礙，原因是目前這些微納系統的供電主要依靠電池。為避免頻繁地更換電 池，這就要求電池的工作壽命不斷延長，而在一些特殊的微納產品或裝置中，特別是在植入 式系統中，如心臟起搏器、植入式傳感器等，更換電池或充電更是困難。替代電池作為微納 系統能源的技術途徑主要是從微器件的工作環境中採集能量，然後將其轉換成電能。由於 振動在工業、建築物甚至生物體中(如肢體運動、橋梁的振動、心臟跳動等)時刻存在，所以 採集環境振動的微機械電磁式能量採集器逐步受到了國內外同行的廣泛關注。經對現有技術文獻的檢索發現，E. Koukharenko等在《MicrosystemTechnologies》 (《微系統技術》，2006年I2期IO7I-IO77頁)發表了題為「Microelectromechanical systems vibration powered electromagneticgenerator for wireless sensor appl ications"( 「適用於無線傳感器的採集振動能量的電磁式微機電系統發電機」)的論文， 提出了一種基於矽襯底的三明治型的結構設計。該結構分為三層，上下兩層為內嵌有永磁 體的派熱克斯玻璃，中間層為可以在水平面內左右擺動的矽平臺，矽平臺通過一矽懸臂梁 與矽外框相連。上下永磁體磁極相反，從而在上下層之間提供勻強磁場。金屬線圈嵌入到 矽平臺中央，經過矽懸臂梁上的溝道與外界電路連接。利用鍵合技術把上中下三層合成為 一振動能量採集器。當外界振動作用到矽平臺時，矽平臺在其所在平面內發生擺動，導致 線圈切割磁力線，產生感應電流和感應電動勢，從而為與線圈相連的其他無線產品和微機 電系統器件供電。然而，該設計用深反應離子刻蝕(DRIE)方法製作矽懸臂梁，製作成本較 高，更重要的是永磁體需要手工粘連到派熱克斯玻璃上，裝配結構導致器件體積較大、不易 於集成製造。此外，袁泉等人於2009年3月申請的專利「微型電磁式能量採集器及製備方 法」(申請號200910080541.9)採用電鍍永磁體的方法，在一定程度上改善了手工粘結永磁 體帶來的不便，但是，電鍍永磁材料在微加工中是極為困難的，不僅電鍍條件難於控制，而 且其厚度很薄，以致產生的磁場很微弱、磁學性能較差，不能將採集到的振動能有效地轉化 為電能。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種易於集成製造的高性能微型電磁式振動能 量採集器，其中永磁體採用微模具複製的集成方法加工，位于振動彈簧平臺上，線圈則採用 電鍍金屬銅或金的方法製作，並被柔性聚合物包裹起來，直接位於襯底上，整個器件全部採 用基於非矽微加工的方法集成製作，微模具複製的永磁體通過將永磁粉與粘結聚合物混合 壓制而成，與器件整體工藝兼容。本發明的技術方案如下一種易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，包括有襯底、絕緣層、線 圈、電極、彈簧平臺、支撐座和永磁體，其特徵在於所述襯底上表面附著有線圈，所述線圈 的首尾兩端分別與二個電極相連接，所述襯底上表面覆蓋有絕緣層，所述絕緣層將所述的 線圈包覆在其中，所述二個電極位於絕緣層之上；所述絕緣層的上表面附著有多個支撐座， 多個支撐座上架裝有彈簧平臺，所述的彈簧平臺位於所述線圈的正上方，並與所述的線圈 之間有間隙，所述彈簧平臺上固定連接有永磁體。所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵在於所述的 襯底為石英或玻璃。所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵在於所述的 線圈採用在襯底上表面通過電鍍銅或金的方式形成，所述的線圈為單層導體環繞或首尾相 互連接的多層導體環繞結構，其中單層線圈的厚度為2 20微米。所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵在於所述二 個電極採用在絕緣層上通過電鍍銅或金的方式形成，其面積分別為(400 500) X (600 800)平方微米，厚度分別為10 30微米。所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵在於所述絕 緣層為聚醯亞胺、PMMA或SU-8膠柔性不導電聚合物層，厚度為5 200微米。所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵在於所述的 多個支撐座在絕緣層上表面分別通過電鍍銅或鎳的方式形成，各個支撐座的面積分別為 (50 100) X (100 500)平方微米，高度分別為50 1000微米。所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵在於所述 的彈簧平臺為由通過電鍍鎳或銅等金屬形成的四個或多個螺旋型彈性臂和中間的平臺構 成，彈簧片的厚度分別為5 50微米，寬度分別為10 200微米，彈簧平臺的中心面積為 (200 2000) X (200 2000)平方微米。所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵在於所述的 永磁體是通過將永磁粉與粘結劑的混合體壓制在圖形化結構凹坑內，併集成固定在所述的 彈簧平臺上，可以是單個的立方體，或者為陣列結構，當永磁體為單個立方體時，其面積為 (200 2000) X (200 2000)平方微米，厚度為10 800微米；當為永磁體為3X3陣列 結構時，各個部分的面積大小為(10 120) X (120 300)平方微米，厚度為10 800微 米，行間距為10 30微米，列間距為10 30微米。本發明的有益效果本發明的永磁體採用微模具複製的集成方法加工，位于振動彈簧平臺上，線圈則 採用電鍍金屬銅或金的方法製作，並被柔性聚合物包裹起來，直接位於襯底上，整個器件全
4部採用基於非矽微加工的方法集成製作，微模具複製的永磁體通過將永磁粉與粘結聚合物 混合壓制而成，與器件整體工藝兼容；實現了採集器的高度集成製造，同時採用微模具複製 得到的永磁體也比電鍍或濺射的永磁材料具有更高的厚度和磁性能，可以更有效地將振動 能轉化為電能。


圖1為本發明結構示意圖，其中(a)為立體結構示意圖，(b)為側視圖。圖2為具有三層線圈的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器平面 結構示意圖。圖3為帶有3X3陣列永磁體的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集 器平面結構示意圖。圖4為帶有3X3陣列永磁體位於線圈下方的易於集成製造的高性能微型電磁式 振動能量採集器平面結構示意圖。
具體實施例方式參見圖1，一種易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，包括有襯底 1，襯底1上表面附著有線圈3，線圈3的首尾兩端分別與二個電極4相連接，襯底1上表面 覆蓋有絕緣層2，絕緣層2將線圈包覆在其中，二個電極位於絕緣層之上；絕緣層2的上表 面附著有多個支撐座6，多個支撐座6上架裝有彈簧平臺5，彈簧平臺5位於線圈3的正上 方，並與線圈3之間有間隙，彈簧平臺5上固定連接有永磁體7。襯底1為石英或玻璃。線圈3採用在襯底上表面通過電鍍銅或金的方式形成，線圈3為單層導體環繞或 首尾相互連接的多層導體環繞結構，其中單層線圈的厚度為2 20微米。二個電極4的面積分別為(400 500) X (600 800)平方微米，厚度分別為10 30微米。絕緣層2為聚醯亞胺、PMMA或SU_8膠柔性不導電聚合物層，厚度為5 200微米。多個支撐座6在絕緣層上表面分別通過電鍍銅或鎳的方式形成，各個支撐座的面 積分別為(50 100) X (100 500)平方微米，高度分別為50 1000微米。彈簧平臺5為通過電鍍銅或鎳等金屬的方式形成的懸空彈簧結構，彈簧片的厚 度分別為5 50微米，寬度分別為10 200微米，彈簧平臺5的中心面積為(200 2000) X (200 2000)平方微米。永磁體7是通過將永磁粉與粘結劑的混合體壓制在圖形化結構凹坑內，併集成固 定在彈簧平臺上，可以是單個的立方體，或者為陣列結構，當永磁體7為單個立方體時，其 面積為(200 2000) X (200 2000)平方微米，厚度為10 800微米；當為永磁體7為 3 X 3陣列結構時，各個部分的面積大小為(10 120) X (120 300)平方微米，厚度為10 800微米，行間距為10 30微米，列間距為10 30微米。以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明；本發明的實施例在以本發明 技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 範圍不限於下述的實施例。
實施例1 易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器參見圖1(a)，本實施例易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器包括 襯底1、絕緣層2、線圈3、電極4、彈簧平臺5、支撐座6和永磁體7 ；絕緣層2直接與襯底1 相連，位於襯底1上，線圈3同樣直接與襯底1相連，且位於襯底1上，並被絕緣層2包裹著， 絕緣層2的厚度基本與線圈3 —致，為2 20微米，電極4的兩端分別與線圈3的兩個端 點相連，用於將線圈3中感應而生的電動勢引出到外電路，電極4與絕緣層2相連，位於絕 緣層2上，面積為(400 500) X (600 800)平方微米，厚度為10 30微米，整個彈簧平 臺5由支撐座6懸空在絕緣層2上方約50 1000微米的距離，彈簧厚度為5 50微米，寬 度為10 200微米，支撐座6的面積為(50 100) X (100 500)平方微米，高度為50 1000微米，永磁體7直接與彈簧平臺5相連，位於彈簧平臺5中心位置上方，永磁體7的面 積大小為(200 2000) X (200 2000)平方微米，厚度為10 800微米，彈簧平臺5中心 平板面積為(200 2000) X (200 2000)平方微米。參見圖1(b)，可以清楚地看到絕緣層2直接與襯底1相連，位於襯底1上，線圈3 同樣直接與襯底1相連，且位於襯底1上，並被絕緣層2包裹著，絕緣層2的厚度基本與線 圈3 —致，電極4的兩端分別與線圈3的兩個端點相連，用於將線圈3中感應而生的電動勢 引出到外電路，電極4與絕緣層2相連，位於絕緣層2上，整個彈簧平臺5由支撐座6懸空 在絕緣層2上方，永磁體7直接與彈簧平臺5相連，位於彈簧平臺5中心位置上方。將外電路的兩極分別接於上述易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集 器電極4的兩端，有外界的上下振動沿與襯底1垂直方向輸入該系統器件時，如果該振動的 頻率達到由支座6懸空的彈簧平臺5和永磁體7所組成的拾振系統共振頻率時，則由彈簧 平臺5懸空的永磁體7也將隨之發生共振，導致通過其下方由絕緣層2包裹的線圈3內磁通 量迅速變化，根據法拉第電磁感應定律可知，在線圈3的兩電極4之間即產生感應電動勢， 從而將外界環境的振動能轉化為電能，實現能量採集的目的。本發明全部採用基於非矽微 加工的方法集成製作，微模具複製的永磁體7通過將永磁粉與粘結聚合物混合壓制而成， 與器件整體工藝兼容，實現了整個器件的高度集成製造，同時採用微模具複製得到的永磁 體也比電鍍或濺射的永磁材料具有更高的厚度和磁性能，實現了更高的採集與轉化效率。實施例2 具有三層線圈的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器。參見圖2，該微型電磁式振動能量採集器採用了三層線圈3的疊層結構，且此三層 結構互不幹擾，在垂直方向上疊加而成，全部包裹在絕緣層2之內，該能量採集器的尺寸與 實施例1中具有一層線圈結構的能量採集器一致，並且除了線圈層數之外，其餘部件的形 狀、尺寸與實施例1 一致。實施例3 帶有陣列永磁體的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集
ο參見圖3，該微型電磁式振動能量採集器的永磁體7由較小的結構陣列而成，陣列 結構為3X3的形式，每一部分的面積大小為(10 120) X (120 300)平方微米，厚度為 10 800微米，行間距為10 30微米，列間距為10 30微米，該微型振動能量採集器的 其餘特徵與實施例1類似。實施例4 陣列永磁體位於線圈下方的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能
量採集器。
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參見圖4，該微型電磁式振動能量採集器的永磁體7由較小的結構陣列而成，位 於襯底1上，直接與襯底1相連，陣列結構為3X3的形式，每一部分的面積大小為(10 120) X (120 300)平方微米，厚度為10 800微米，行間距為10 30微米，列間距為 10 30微米，線圈3電鍍在彈簧平臺5上方，與彈簧平臺5相連，距離下方的陣列永磁體7 為50 1000微米，整個線圈3被絕緣層2包裹起來，同樣直接位於彈簧平臺5上，且與彈 簧平臺5相連，該微型振動能量採集器的其餘特徵與實施例1類似。
權利要求
一種易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，包括有襯底、絕緣層、線圈、電極、彈簧平臺、支撐座和永磁體，其特徵在於所述襯底上表面附著有線圈，所述線圈的首尾兩端分別與二個電極相連接，所述襯底上表面覆蓋有絕緣層，所述絕緣層將所述的線圈包覆在其中，所述二個電極位於絕緣層之上；所述絕緣層的上表面附著有多個支撐座，多個支撐座上架裝有彈簧平臺，所述的彈簧平臺位於所述線圈的正上方，並與所述的線圈之間有間隙，所述彈簧平臺上固定連接有永磁體。
2.根據權利要求1所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵 在於所述的襯底為石英或玻璃。
3.根據權利要求1所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵 在於所述的線圈採用在襯底上表面通過電鍍銅或金的方式形成，所述的線圈為單層導體 環繞或首尾相互連接的多層導體環繞結構，其中單層線圈的厚度為2 20微米。
4.根據權利要求1所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵 在於所述的二個電極採用在絕緣層上通過電鍍銅或金的方式形成，其面積分別為(400 500) X (600 800)平方微米，厚度分別為10 30微米。
5.根據權利要求1所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵 在於所述絕緣層為聚醯亞胺、PMMA或SU-8膠柔性不導電聚合物層，厚度為5 200微米。
6.根據權利要求1所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵 在於所述的多個支撐座在絕緣層上表面分別通過電鍍銅或鎳的方式形成，各個支撐座的 面積分別為(50 100) X (100 500)平方微米，高度分別為50 1000微米。
7.根據權利要求1所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵 在於所述的彈簧平臺為由通過電鍍鎳或銅等金屬形成的四個或多個螺旋型彈性臂和中間 的平臺構成，彈簧片的厚度分別為5 50微米，彈性臂寬度分別為10 200微米，彈簧平 臺的中心面積為(200 2000) X (200 2000)平方微米。
8.根據權利要求1所述的易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，其特徵 在於所述的永磁體是通過將永磁粉與粘結劑的混合體壓制在圖形化結構凹坑內，併集成 製造在所述的彈簧平臺上，可以是單個的立方體，或者為陣列結構，當永磁體為單個立方體 時，其面積為(200 2000) X (200 2000)平方微米，厚度為10 800微米；當為永磁體 為3X3陣列結構時，各個部分的面積大小為(10 120) X (120 300)平方微米，厚度為 10 800微米，行間距為10 30微米，列間距為10 30微米。
全文摘要
本發明公開了一種易於集成製造的高性能微型電磁式振動能量採集器，包括有襯底、絕緣層、線圈、電極、彈簧平臺、支撐座和永磁體，其特徵在於襯底上表面附著有線圈，線圈的首尾兩端分別與二個電極相連接，襯底上表面覆蓋有絕緣層，絕緣層將線圈包覆在其中，二個電極位於絕緣層之上；絕緣層的上表面附著有多個支撐座，多個支撐座上架裝有彈簧平臺，彈簧平臺位於所述線圈的正上方，並與線圈之間有間隙，彈簧平臺上固定連接有永磁體。本發明實現了採集器的高度集成製造，同時採用微模具複製得到的永磁體也比電鍍或濺射的永磁材料具有更高的厚度和磁性能，可以更有效地將振動能轉化為電能。
文檔編號H02K35/02GK101924451SQ20101024813
公開日2010年12月22日 申請日期2010年7月30日 優先權日2010年7月30日
發明者劉慧婷, 楊卓青, 王佩紅 申請人:安徽大學