基於液體介質的振動式靜電微型發電機及其陣列的製作方法

2023-05-26 04:46:36

專利名稱：基於液體介質的振動式靜電微型發電機及其陣列的製作方法
技術領域：
本發明屬於微能源技術領域，特別涉及一種微型發電機。
背景技術：
微能源是可攜式裝置，特別是無線傳感器網絡、生物植入裝置(如各類植入式測量系統、 植入式藥療裝置等)或埋入式監測裝置(如建築物埋入式監測傳感器)等系統中最重要的關 鍵元件之一。目前使用的化學能或燃料電池等由於容量有限，成為了影響系統壽命的決定性 因素。儘管目前科研人員在提高電池的能量密度和降低微器件的能耗方面取得了重要進展， 對延長系統的使用壽命具有重要的意義，但都不能從根本上解決能源的容量有限對系統使用 壽命的限制問題。 一個較理想的解決方案應該是從環境中直接獲取能量為上述系統供能。機械振動能是廣泛存在於自然和人類生產生活環境中的一種能量形式，因而將人體、機 械、建築物等產生機械振動能轉換為電能，為如前所述可攜式系統或植入裝置等提供能量具 有重要的科學意義。振動式微型發電機是一種通過機械拾振，利用電磁、壓電或靜電原理將環境中的振動機 械能轉換為電能的微能源。其中，基於靜電轉換原理的振動式微型發電機，主要由極化源與一個可變電容器組成， 如圖1所示。其中，Cv是MEMS可變電容器；Cp是MEMS可變電容器寄生電容；Cs是 儲能電容器；極化源Vin是駐極體或電池，其作用是通過其產生電場對可變電容器進行極化， 使可變電容器帶有初始電荷；當Cv為最大時，SW1閉合，完成對可變電容器的充電，充電 後SW1斷開；當在振動條件下，可變電容器Cv的大小改變，當電容器Cv達到最小值時電 容器中增加的能量為- ^^〗(C^-C曲)(^i^)增加的能量來自於機械振動產生的機械能。當電容器Cv達到最小值時，SW2閉合，電 容器Cv上增加的能量轉移到Cs中儲存起來。2001年J. O. Mur-Miranda等人設計了一種由外接電源和可變電容器組成的靜電式微型 振動發電機，在共振頻率下能產生2(^iW的電量，轉換效率為50% 。由於採用電池對可變電容器極化的方法，與IC加工兼容性差，在使用方面也有很大的 局限性。2003年，重慶大學提出一種由駐極體和兩組可變電容器組成的靜電振動式微型發電 機(專利號ZL20031011187.4)，其原理圖和結構圖如圖2、圖3所示，圖中箭頭表示振動 方向。駐極體的作用是利用其恆定的外部電場對可變電容器進行極化，從而可變電容器使帶 有定量電荷。當在外部振動下，可變電容器極板的運動使兩組可變電容器大小成相反變化， 引起在可變電容器極板之間的重新分布，通過外電路形成電流，從而實現將機械振動能轉換 為電能。同年，比利時IMEC公司也報導了類似結構的靜電振動式微型發電機，如圖4所示， 圖中箭頭表示振動方向。前述靜電振動式微型發電機採用的可變電容器是通過改變動靜兩極板之間的距離或重 疊面積來實現，動極板由一組懸掛梁支撐。受現有MEMS工藝限制，這種可變電容器的固 有頻率很難做到100Hz以下，對低頻振動響應低，導致微型發電機對低頻振動機械能的轉換 效率很低，不能滿足低頻振動環境中的微功耗設備的要求。同時在衝擊、跌落等情況下，懸 掛梁易損壞，導致發電機失效，因而其可靠性不高。發明內容本發明的目的是提供一種將低頻振動能轉換為電能的高集成度靜電振動式微型發電機 及其陣列。該靜電振動式微型發電機釆用液體為可變電容器介質，在振動環境中，液體介質 移動，引起電容變化，使電荷在電容器極板之間的轉移，從而實現機械能向電能的轉換。本發明通過以下技術方案加以實現基於液體介質的振動式靜電微型發電機，主要由兩個可變電容器和處理電路組成。所述 可變電容器由上極板、下極板、駐極體、襯底和微液體介質構成。其中襯底有上中下三部分， 中襯底中間是通過腐蝕工藝形成上下相通的空腔，上下分別採用矽-矽鍵合和矽-玻璃鍵合工 藝覆蓋上襯底和下襯底，形成電容器腔體。駐極體加工在電容器腔體的內下表面，即下襯底 的上表面。兩個電容器的上極板採用金屬剝離工藝或腐蝕工藝並列力卩工在電容器腔體的內上
表面，即上襯底的下表面。微液體介質裝在電容器腔體內，在電容器腔體內運動。電容器腔 體的內表面根據液體介質性質濺射形成有疏水或疏油介質薄膜，進行疏水或疏油處理，以增 加微液體與腔體內表面材料的接觸角，提高微型發電機對微加速度的響應度，同時有利於駐 極體的穩定性的提高。兩個電容器的上極板連為一體，採用金屬剝離工藝或腐蝕工藝加工在 上襯底的上表面，作為公共上極板，也作為駐極體的背電極。兩個下極板和公共上極板分別 設有引出電極連接到處理電路。駐極體採用薄膜駐極體(如Si02薄膜駐極體等)，駐極體背電極通過背面引出。基於液體介質的振動式靜電微型發電機的工作原理是，電容器上極板在駐極體電場的極化下，分別帶有一定量的感應電荷；當微液體介質在振動情況下，從一個電容器移動到另外 一個電容器時，將引起兩個電容器電容大小的反向變化，從而引起電荷在兩個上極板上的重 新分布，電荷通過外電路在兩個電容之間轉移，形成電流。外電路上所消耗的能量由外部的 振動的機械能提供。從而實現了將外部的振動能轉換為電能。本發明進一步還提出由上述低頻振動式微型發電機形成的發電機陣列，它是將前述單個 微型發電機按陣列分布，各陣列單元的可變電容器腔體內注入不同體積的微液體介質，通過 微機械工藝製作，各陣列單元間採用隔離介質進行電學隔離。陣列單元的輸出採用並聯形式， 同時為儲能器充電或負載供電。本發明的優點1、 微液體對低頻(幾赫茲以下)、大幅度的振動響應良好，而其他振動式微型發電機由 於加工工藝限制目前無法達到如此低的響應頻率。因而這種液體介質的微型發電機是將人 體、建築、大型機械等產生的低頻振動機械能轉換為電能的較理想的微型發電機，非常適合 為低頻振動條件下的微功耗植入式裝置或可攜式設備供能。2、 採用液體介質的可變電容器，沒有可動機械結構，受到強烈衝擊時，微發電機不會 因為可動部件損壞而導致失效，因而相對其它結構形式的微型發電機具有更高的可靠性和穩 定性。3、 電容器腔體內部進行疏水或疏油處理，以增加微液體與腔體內表面材料的接觸角，
提高微型發電機對微加速度的響應能力，同時還有利於駐極體的穩定性的提高。4、本發明提出的微型發電機的頻率響應範圍可以由微液體介質注入量精確控制，通過 在可變電容器腔體陣列內注入不同體積的微液體介質，即組成由多個不同頻率響應範圍的微 型發電機並聯的陣列，從而達到擴展頻響範圍和提高輸出功率的目的。因此，本發明是一種高集成度、長壽命、體積小的微型發電機，可以為振動環境中各種 微功耗傳感器和執行器，特別適合為某些微振動環境中的植入式裝置、分布式系統等供電， 具有極為廣泛的用途。


圖1是基於靜電轉換原理的振動式微型發電機的工作原理2是重慶大學設計的微型發電機工作原理3是重慶大學設計的微型發電機結構4是比利時IMEC公司設計的微型發電機結構5是本發明設計的振動式微型發電機的電路原理6是本發明設計的振動式微型發電機結構7是振動式微型發電機的立體8是下襯底上的下極板布局9本發明設計的振動式微型發電機陣列的布局10發電機陣列的電路原理中1為駐極體、2為下極板、3為微液體介質、4為下極板、5為下襯底、6為疏水 或疏油介質薄膜層、7為中襯底、8為第一可變電容器、9為公共上極板、10為第二可變電 容器、ll為隔離介質、12為上襯底、13為處理電路、14為陣列單元間的隔離介質，15為一 個陣列單元。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的技術方案中進一步說明 結合圖6、圖7和圖8可見，基於液體介質的振動式靜電微型發電機主要包括駐極體l， 下極板2、微液體介質3和公共上極板9構成的第一可變電容器10，下極板4、微液體介質 3和公共上極板9構成的第二可變電容器和處理電路13,兩個可變電容器都以襯底為基體。襯底分為上中下三部分，中襯底7中間是通過腐蝕工藝形成的上下相通的空腔，上下分 別通過矽-矽鍵合和矽-玻璃鍵合工藝覆蓋上襯底12和下襯底5，形成電容器腔體，腔體內表 面濺射疏水或疏油介質薄膜6，微液體介質3與疏水或疏油介質薄膜6互不浸潤，二者之間 呈較大的接觸角，液滴在腔體內呈橢球形。兩個下極板2、 4和公共上極板9是採用金屬剝離工藝或腐蝕工藝分別加工在下襯底5 上表面和上襯底12的上表面，並引出電極到處理電路13。駐極體l加工在電容器腔體的內上表面，即上襯底12的下表面，中襯底7、上襯底12 和駐極體l可以採用SOI (絕緣層上的矽)材料實現三者的一體化。通過深刻蝕技術，去除 中襯底7上駐極體1對應的矽材料，暴露出駐極體l材料(二氧化矽)，然後對二氧化矽進 行充電，形成駐極體l。駐極體l的背電極連接到處理電路中儲能器Cs的負端。隔離介質11將公共電極9與上襯底12其他部分隔離開，以減小上襯底12引入的寄生電 容。隔離介質11可以採用深刻蝕技術將對應位置的上襯底12材料去除，然後採用絕緣材料 (如多晶矽)回填或熱氧化生成二氧化矽而獲得。處理電路參見圖5,它由整流濾波電路和一個儲能器組成，電容器下極板之間的電荷轉 移產生電流，進入處理電路13，經整流後，儲存在儲能器Cs中，並通過輸出端為外部負載 供電。前述的單個基於液體介質的振動式靜電微型發電機按陣列分布可構成微型振動式發電 機陣列，其局部形式如圖9所示，各陣列單元15間採用隔離介質14進行電學隔離，隔離介 質14採用單元中隔離介質11相同的材料和加工方法。其電路參見圖IO，陣列單元的輸出採用並聯形式，同時為儲能器充電或負載供電，
權利要求
1、基於液體介質的振動式靜電微型發電機，包括有兩個可變電容器和處理電路；其特徵在於所述可變電容器由上極板、下極板、駐極體、襯底和微液體介質構成；其中襯底有上中下三部分，中襯底(7)中間是上下相通的空腔，上下分別鍵合覆蓋有上襯底(12)和下襯底(5)，形成電容器腔體；駐極體(1)加工在電容器腔體的內下表面，即上襯底(12)的下表面，兩個可變電容器的下極板(2、4)採用金屬剝離工藝或腐蝕工藝並列加工在電容器腔體的內上表面，即下襯底(5)的上表面，電容器腔體的內表面濺射形成有疏水或疏油介質薄膜層(6)，微液體介質裝在電容器腔體內，在電容器腔體內運動；兩個可變電容器的上極板連為一體，採用金屬剝離工藝或腐蝕工藝加工在上襯底(12)的上表面，形成公共上極板(9)，同時作為駐極體(1)的背電極；兩個下極板(2、4)和公共上極板(9)分別設有引出電極連接到處理電路(13)。
2、 根據權利要求1所述的基於液體介質的振動式靜電微型發電機，其特徵在於所述 處理電路(13)由整流濾波電路和一個儲能器組成，兩個下極板(2、 4)引出的電極連接到 整流濾波電路，駐極體(1)的背電極即公共上極板(9)的引出電極連接到儲能器Cs的負 端，整流濾波電路連接儲能器Cs,電能儲存在儲能器Cs中，並通過輸出端為外部負載供電。
3、 根據權利要求1所述的基於液體介質的振動式靜電微型發電機，其特徵在於駐極 體(1)採用薄膜駐極體。
4、 根據權利要求1所述的基於液體介質的振動式靜電微型發電機，其特徵在於公共 上極板(9)與上襯底(12)其他部分通過隔離介質(11)隔離開。
5、 由權利要求1、 2、 3或4所述的基於液體介質的振動式靜電微型發電機形成的微型 發電機陣列，其特徵在於前述單個微型發電機按陣列分布，各陣列單元(15)的可變電容 器腔體內注入不同體積的微液體介質，各陣列單元(15)間採用隔離介質(14)進行電學隔 離；陣列單元(15)的輸出採用並聯形式，同時為儲能器充電或負載供電。
全文摘要
本發明提出一種基於液體介質的振動式靜電微型發電機，由兩個可變電容器和處理電路組成。可變電容器由上極板、下極板、駐極體、襯底和微液體介質構成。其中中襯底、上襯底和下襯底，形成電容器腔體，駐極體加工在電容器腔體的內下表面，兩個電容器的上極板並列加工在電容器腔體的內上表面。微液體介質裝在電容器腔體內。電容器腔體的內表面根據液體介質性質濺射形成有疏水或疏油介質薄膜。兩個電容器的上極板連為一體，作為公共上極板，也作為駐極體的背電極。兩個下極板和公共上極板分別設有引出電極連接到處理電路。本發電機採用液體為可變電容器介質，在振動環境中，液體介質移動，引起電容變化，使電荷在電容器極板之間的轉移，從而實現機械能向電能的轉換。
文檔編號H02K15/00GK101106301SQ20071007861
公開日2008年1月16日 申請日期2007年6月13日 優先權日2007年6月13日
發明者溫中泉, 溫志渝 申請人:重慶大學