能量採集組件的製作方法

2023-06-03 03:15:06

專利名稱：能量採集組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子機械技術領域，尤其涉及一種能量採集組件。
背景技術：
在MEMS (Micro-electromechanical Systems,微電子機械系統)技術發展的過程中，微能源問題已經成為MEMS進入實用化和自動化的主要障礙之一。很多系統(如小型無線連網傳感器節點和消費市場上的低成本計算器)對電源有嚴格限制，這涉及到遠程位置、成本考慮、便攜程度的需求以及其他因素。另外，轉向無線通信的大趨勢淘汰了系統中很多有線電纜，因而希望能使系統脫離電源線和充電器的束縛，而採用將環境中的機械振動能轉換成電能的能量採集器(Energy harvester)。能量採集器主要分為三種靜電(electrostatic)式、壓電(piezoelectric)式和電磁(electromagnetic)式,其中，靜電式能量採集器通過改變電容來產生電能，其在開始產生能量之前，以 一個外部電源在電容之間產生原始電壓差，當可變電容由于振動而發生改變時將機械能轉換為電能；壓電式能量採集器通過壓電效應來產生電能，即壓電材料在外界振動的激勵下產生形變，引起材料內部偶極子的不對稱，發生極化現象，同時在材料的外表面上出現正負相反的電荷；電磁式能量採集器是通過電場將機械能轉化為電能，附在振動質量塊的下面的線圈在固定永磁體產生的磁場中，由於通過線圈的磁通量發生變化，根據法拉第定律，會產生電勢差。更多關於能量採集器的技術可以參考申請公布號為CN101941671A的中國專利申請。但是現有技術中上述三種能量採集器輸出的電量都比較低，從而影響了其實際應用。因此，如何提高能量採集器的能量輸出就成為本領域技術人員亟待解決的問題之
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發明內容
本發明解決的問題是提供一種能量採集組件，可以提高能量輸出。為解決上述問題，本發明提供了一種能量採集組件，包括依次相對設置的第一基板、第二基板和第三基板；設於第一基板朝向第二基板一側上的永磁體；設於第二基板中的振動結構，所述振動結構與所述永磁體之間設置有線圈，所述振動結構朝向第三基板一側上設置有第一電極；設於第三基板朝向第二基板一側上的第二電極；設於所述第一電極和第二電極之間的駐極體；所述振動結構帶動所述線圈和所述第一電極進行振動。可選地，所述振動結構包括中心質量塊和兩個彈性元件，所述兩個彈性元件位於所述中心質量塊的相對兩側。可選地，所述彈性元件為摺疊彈性梁。可選地，所述線圈為平面螺旋線圈。可選地，所述永磁體包括並列設置的兩塊永磁體，且所述兩塊永磁體的磁極方向相反。可選地，所述能量採集組件還包括還包括第一電引線、第二電引線和第三電引線，其中所述第一電引線的一端連接所述線圈的一端，所述第一電引線的另一端連接所述第一電極，所述第二電引線的一端連接所述第二電極，所述第三電引線的一端連接所述線圈的另一端，所述第二電引線的另一端和所述第三電引線的另一端連接同一負載。可選地，所述第一電極和第二電極的材料為鋁、銅或銅鋁合金。可選地，所述第一基板、第二基板和第三基板的材料為矽、氧化矽、鍺或氧化鍺中的任一種。可選地，所述中心質量塊的材料與所述第二基板的材料相同。可選地，所述第一電極和第二電極的形狀為梳齒狀。與現有技術相比，本發明技術方案具有以下優點相對設置的第一基板和第二基板中，第一基板朝向第二基板一側上設置有永磁體，第二基板中設有振動結構，所述振動結構與所述永磁體之間設置的線圈可以隨振動結構進行振動，線圈在固定永磁體產生的磁場中，由於通過線圈的磁通量發生變化，根據法拉第定律會產生電勢差，可以將機械能轉化為電能；相對設置的第二基板和第三基板中，第二基板中設有振動結構，所述振動結構朝向第三基板一側上設置有第一電極，設於第三基板朝向第二基板一側上設置有第二電極，第一電極和第二電極之間設置有駐極體，所述振動結構帶動所述第一電極進行振動，從而第一電極和第二電極之間的相對面積隨著振動結構的振動而變化，即第一電極和第二電極之間的電容在不斷變化，而由於駐極體的存在，第一電極和第二電極感生電荷總量保持不變，從而形成電勢差，進而可以將機械能轉換為電能，最終使得該能量採集組件既可以基於電磁原理產生電能，也可以基於靜電原理產生電能，增大了能量採集組件輸出的能量，提高了採集效率。此外，由於基於電磁原理的能量米集器和基於靜電原理的能量米集器都可以與CMOS工藝進行很好地兼容，因此本發明中的能量採集模組與CMOS工藝的兼容性也很好，從而降低了生產成本，簡化了工藝。


圖1是本發明一實施例中能量採集組件的結構示意圖；圖2是圖1中A表面的結構示意圖；圖3是圖1中B表面的結構示意圖；圖4是圖1中C表面的結構示意圖；圖5是圖1中D表面的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。正如背景技術部分所述，現有技術中存在靜電式、壓電式和電磁式三種靜電採集器，但是其採集的電能都比較小，從而限制了其大範圍的應用。針對上述問題，發明人提出可以將基於橫向振動的電磁式能量採集器和基於橫向振動的靜電式能量採集器進行集成，從而可以在保持比較小體積的同時，提高採集效率，增大輸出的電能。此外，由於電磁式能量採集器和靜電式能量採集器都可以利用基於矽的MEMS工藝製造，包括靜電式的駐極體材料Si3N4和SiO2薄膜和電磁式的金屬線圈都可以通過在矽基上製作，這與CMOS工藝能很好的兼容，而壓電式的薄型材料比較難通過矽基製作，因此本發明提供的能量採集組件也可以與CMOS工藝進行較好地兼容。下面結合附圖進行詳細說明。參考圖1至圖5所示，本實施例提供了一種能量採集組件，包括依次相對設置的第一基板1、第二基板2和第三基板3 ；設於第一基板I朝向第二基板2 —側表面A上的永磁體11和永磁體12 ；設於第二基板2中的振動結構，所述振動結構與所述永磁體12之間設置有線圈21,所述振動結構朝向第三基板3 —側表面C上設置有第一電極25 ；設於第三基板3朝向第二基板2 —側表面D上的第二電極(圖中未不出)；設於所述第一電極25和第二電極之間的駐極體31 ；所述振動結構帶動所述線圈21和所述第一電極25進行振動。本實施例中第一基板I和第二基板2之間構成電磁式能量採集器，第二基板2和第三基板3之間構成靜電式能量採集器，從而在僅增加一個基板體積的前提下，共用中間的第二基板2，即共用所述振動結構，實現了電磁式能量採集器和靜電式能量採集器的高度集成，增加了輸出的電能，提高了採集效率。所述第一基板1、第二基板2和第三基板3的材料可以是矽、氧化矽、鍺或氧化鍺中的任一種，也可以是其他半導體材料，其對於本領域技術人員是熟知的，在此不再贅述。此夕卜，所述第一基板1、第二基板2和第三基板3的材料可以是同一材料，也可以是不同材料。所述第一基板11、第二基板2和第三基板3的截面形狀可以是長方形或圓形等規則形狀，也可以是其它不規則形狀，其不限制本發明的保護範圍。本實施例所述第一基板11、第二基板2和第三基板3的材料均為矽，其截面形狀均是長方形，且各基板的尺寸相同。需要說明的是，在正常使用時，所述第一基板11與第二基板2之間以及第二基板2和第三基板3之間僅存在較小的間隙，從而整個能量採集組件的體積基本等於三個基板的體積之和。參考圖2所示，本實施例中第一基板I與第二基板2相對的表面A的中心位置上設置有並列設置的兩塊長方體的永磁體，即永磁體11和永磁體12。優選地，所述永磁體11和永磁體12的磁極方向相反，如永磁體11的磁極方向為S，永磁體12的磁極方向為N，從而由於兩個永磁體磁極方向相反，當振動結構上的線圈21左右振動時，穿過線圈21的磁通量的變化量比單一方向磁場時大，從而產生的電勢差增大。所述永磁體11和永磁體12能夠長時間保持其磁性，且不易失磁，也不易被磁化，其材料可以是天然的磁石(如磁鐵礦)，也可以是人造磁石(如鐵鎳鈷磁鋼)。具體地，所述第一基板I的表面A上可以設置兩個並列的長方形溝槽，進而使分別使永磁體11和永磁體12分別固定在這兩個溝槽中。需要說明的是，在本發明的其他實施例中，所述第一基板I的表面A上可以僅設置一個永磁體，且永磁體也可以採取其它形狀，其不限制本發明的保護範圍。結合參考圖3和圖4所示，所述第二基板2包括中心質量塊22;兩個彈性元件23，所述彈性元件23設置在所述中心質量塊22相對的兩側，所述彈性元件23的一端連接所述中心質量塊22 ；支撐邊框24，分別連接所述彈性元件23的另一端，用於支撐所述彈性元件23 ；線圈21,位於所述中心質量塊22朝向第一基板I的表面B上；第一電極25,位於所述中心質量塊22朝向第三基板3的表面C上；所述中心質量塊22和所述彈性元件23構成振動結構,所述振動結構帶動所述線圈21和第一電極25進行振動。具體地，所述中心質量塊22的材料也可以是矽、氧化矽、鍺或氧化鍺等半導體材料。優選地，所述中心質量塊22的材料與所述第二基板2的材料相同，從而可以簡化製作工藝。本實施例中所述中心質量塊22為長方體，其尺寸小於所述支撐邊框24的尺寸，以位於支撐邊框24內；其尺寸大於所述線圈21的尺寸或第一電極25的尺寸，以使所述線圈21或所述第一電極25很好地設置在所述中心質量塊22上。如第二基板2的尺寸為7. 5mm*6mm*0. 5臟，中心質量塊22的尺寸為4臟*4臟*0. 42臟。需要說明的是，在本發明的其他實施例中，所述中心質量塊22還可以採用其他結構。本實施例中所述彈性元件23可以為摺疊彈性梁，優選地，兩個摺疊彈性梁的形狀和尺寸分別一致，從而可以使中心質量塊22均勻地左右振動。在其他實施例中，所述彈性元件23還可以是彈簧等其他彈性元件，只要能使中心質量塊22產生橫向振動的結構都可以作為所述彈性元件23。當採用圖3和圖4中所示的彈性元件23時，所述能量採集組件最好是水平放置，從而振動結構進行水平方向的振動。但在本發明的其他實施例中，可以通過改變彈性元件23的結構，使所述能量採集組件以任意方向(如豎直方向)放置，從而振動結構沿對應的方向振動。本實施例中所述線圈21為平面螺旋線圈，其材料為銅、鋁、銅鋁合金等金屬。具體地，所述平面螺旋線圈既可以是圓形平面螺旋線圈，也可以是方形平面螺旋線圈；既可以是單層，也可以是多層。本實施例中所述第一基板I和第二基板2中的振動結構、支撐邊框24、中心質量塊22和線圈21構成橫向振動的電磁式能量採集器，從而當線圈21隨中心質量塊22進行振動時，在永磁體11和永磁體12的作用下，可以將機械能轉換為電能，此時線圈21的兩端可以通過電引線連接負載，為負載提供電源。參考圖5所示，本實施例中所述第三基板3與所述第二基板2相對的表面D的中心位置設置有第二電極(圖中未示出)，所述第二電極上設置有駐極體31 (即永電體)。所述駐極體31在開始使用時，可以先對駐極體31進行充電，使其表面攜帶電荷；充電完成後，所述駐極體31表面的電荷會長時間保持下來。所述駐極體31可以包括矽基底、位於所述矽基底上的Si3N4薄膜和位於Si3N4薄膜上的SiO2薄膜。本實施例中所述第一電極25和第二電極的尺寸以及初始位置分別一致，從而當第一電極25隨中心質量塊發生振動時,所述第一電極25和第二電極之間的相對位置會發生改變，從而第一電極25和第二電極之間的電容會相應發生變化，由於駐極體31的存在，兩個電極間產生的感生電荷保持不變，而電容變化，產生電能。優選地，所述第一電極25和第二電極的形狀均為梳齒狀，從而梳齒狀結構的電極在中心質量塊22振動時，能產生最大的電容變化量，在電荷保持恆定時，電容變化越大，產生的電勢差越大。在其他實施例中，所述第一電極25和第二電極的尺寸、形狀、初始位置等也可以分別不對應，其不限制本發明的保護範圍。所述第一電極25和第二電極的材料可以為鋁、銅或銅鋁合金等金屬材料。本實施例對所述駐極體31的尺寸沒有限制，其可以大於所述第一電極25或第二電極的尺寸，也可以小於或等於所述第一電極25或第二電極的尺寸，只需要在第一電極25和第二電極之間設置駐極體31，就會產生感生電荷。本實施例中所述第三基板3和第二基板2中的振動結構、支撐邊框24、中心質量塊22和線圈21構成橫向振動的靜電式能量採集器，從而當第一電極25隨中心質量塊22進行振動時，在駐極體31的作用下，兩個電極間產生的感生電荷保持不變，而電容的變化可以將機械能轉換為電能，此時第一電極25和第二電極可以分別通過電引線連接負載，為所述負載提供電源。此外，為了提高輸出的電能，可以將靜電式能量採集器和電磁式能量採集器這兩個電源進行串聯，即本實施例中可以包括還包括第一電引線、第二電引線和第三電引線，其中所述第一電引線的一端連接所述線圈的一端，所述第一電引線的另一端連接所述第一電極，所述第二電引線的一端連接所述第二電極，所述第三電引線的一端連接所述線圈的另一端，所述第二電引線的另一端和所述第三電引線的另一端連接同一負載，從而同時基於電磁原理和靜電原理為所述負載提供電能。此外，由於電磁式能量採集器和靜電式能量採集器分別具有不同的優點，因此也可以根據使用場合的不同，選擇使用電磁式能量採集器或靜電式能量採集器提供電源，從而擴大了使用範圍。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
權利要求
1.一種能量採集組件，其特徵在於，包括 依次相對設置的第一基板、第二基板和第三基板； 設於第一基板朝向第二基板一側上的永磁體； 設於第二基板中的振動結構，所述振動結構與所述永磁體之間設置有線圈，所述振動結構朝向第三基板一側上設置有第一電極； 設於第三基板朝向第二基板一側上的第二電極； 設於所述第一電極和第二電極之間的駐極體； 所述振動結構帶動所述線圈和所述第一電極進行振動。
2.如權利要求1所述的能量採集組件，其特徵在於，所述振動結構包括中心質量塊和兩個彈性元件，所述兩個彈性元件位於所述中心質量塊的相對兩側。
3.如權利要求2所述的能量採集組件，其特徵在於，所述彈性元件為摺疊彈性梁。
4.如權利要求1所述的能量採集組件，其特徵在於，所述線圈為平面螺旋線圈。
5.如權利要求1所述的能量採集組件，其特徵在於，所述永磁體包括並列設置的兩塊永磁體，且所述兩塊永磁體的磁極方向相反。
6.如權利要求1所述的能量採集組件，其特徵在於，還包括第一電引線、第二電引線和第三電引線，其中所述第一電引線的一端連接所述線圈的一端，所述第一電引線的另一端連接所述第一電極，所述第二電引線的一端連接所述第二電極，所述第三電引線的一端連接所述線圈的另一端，所述第二電引線的另一端和所述第三電引線的另一端連接同一負載。
7.如權利要求1所述的能量採集組件，其特徵在於，所述第一電極和第二電極的材料為招、銅或銅招合金。
8.如權利要求1所述的能量採集組件，其特徵在於，所述第一基板、第二基板和第三基板的材料為矽、氧化矽、鍺或氧化鍺中的任一種。
9.如權利要求1或8所述的能量採集組件，其特徵在於，所述中心質量塊的材料與所述第二基板的材料相同。
10.如權利要求1所述的能量採集組件，其特徵在於，所述第一電極和第二電極的形狀為梳齒狀。
全文摘要
一種能量採集組件，包括依次相對設置的第一基板、第二基板和第三基板；設於第一基板朝向第二基板一側上的永磁體；設於第二基板中的振動結構，所述振動結構與所述永磁體之間設置有線圈，所述振動結構朝向第三基板一側上設置有第一電極；設於第三基板朝向第二基板一側上的第二電極；設於所述第一電極和第二電極之間的駐極體；所述振動結構帶動所述線圈和所述第一電極進行振動。本發明可以提高輸出的採集能量。
文檔編號H02N1/08GK103051146SQ20121055969
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者王鵬 申請人:上海宏力半導體製造有限公司