微型電磁式寬頻帶振動能量採集器的製作方法
2023-07-05 21:05:51
專利名稱：微型電磁式寬頻帶振動能量採集器的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微機電系統領域的裝置，具體是一種微型電磁式寬頻帶振動 能量採集器。
背景技術：
隨著無線傳感網絡系統逐漸進入人們的視野，其在生物醫療、工業、建築業、消費 電子和國防等領域，皆有廣闊的應用前景。然而隨著無線傳感產品和微機電系統器件體積 不斷減小，供電問題成了困擾其發展應用的主要障礙。當前人們主要依靠高能量密度的一 次性電池，儘管電池的儲能密度和使用壽命不斷得以提高，但它的缺陷不言而喻體積大、 質量大、壽命有限、需不斷更換。無線傳感網絡使用壽命往往較長，節點分布廣泛，在某些地 方傳感器工作位置難以觸及，更換電池或用電力線供電，既費時又費力，在很多場合下也是 不切實際的。振動能量採集器能夠把周圍環境中的振動能轉化為電能從而為無線電子元器件 供電。一方面，利用傳統的機械加工技術得到的振動能量採集器，由於體積較大，無法與微 型無線產品和微機電系統器件集成。另一方面，隨著技術的改進和提高，無線傳感器節點 的能耗也逐步降低，目前有些產品的活動能耗和睡眠能耗已經降到了幾十毫瓦和幾毫瓦級 別，這無疑意味著基於MEMS的微型能量採集器在無線電子元件等低能耗器件方面將有著 非常廣泛的應用。目前完全集成製造的微機械電磁振動能量採集器輸出功率和電壓低，難以滿足低 功耗器件應用的需求。究其原因，根據理論分析，能量採集器通常應工作在諧振狀態(拾振 固有頻率與環境振動頻率相等)，此時受迫振幅最大，輸出功率也最大。然而，事實上，環境 中的振動頻率往往在一個範圍內持續變化，例如飛機在起飛時和在空中平穩運行時振動頻 率顯然是不同，因此需要製作出一個能收集不同頻率的MEMS能量採集器。經過對現有技術的檢索發現，Ibrahim Sari等人在「An electromagnetic micro powergenerator for wideband environmental vibrations，， (Sensors and Actuators, A, 2008,405-413)(中文題目「一種微型電磁式寬頻帶振動能量採集器」國際期刊傳感器 與執行器A)文章中報導了一拾振結構為含35根懸臂梁的陣列，利用每根懸臂梁的不同長 度得到不同的共振頻率，它能在4. 2-5KHZ範圍內持續產生電壓為10mV，功率為0. 4 y W的電 流。雖然部分工藝與IC工藝兼容，但永磁體仍靠手工裝配，整體製作工藝步驟複雜，很難批 量生產。Bin Yang ^A^ "Electromagnetic energy harvesting from vibrations of multiplefrequencies，， (Journal of Micromechanics and Micro engineering，19，2009， 035001)(中文題目「微型電磁式寬頻帶振動能量採集器」國際期刊微機械和微工程學 報)文章中報導了拾振部件為簡支梁上裝配上三個永磁體量採集器，通過仿真實驗得到在 一定頻率範圍內產生3. 2mV電壓，3. 2 y W電流。該能量採集器的永磁體、懸臂梁和支架等都 是裝配組成，器件體積大，無法與微型無線產品和微機電系統器件集成。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種微型電磁式寬頻帶振動能量採集 器，通過多個由彈簧連接的環狀永磁體振動模態的疊加實現寬頻帶能量採集，並利用微結 構圖形化方法實現永磁體的集成製造，而且由於圖形化的永磁體可以有較厚的微結構，因 而比電鍍永磁體有更好的能量採集和轉化效率，與IC工藝相兼容，易於批量化加工。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括絕緣襯底、平面螺旋感應線圈、 拾振結構和支撐結構，其中絕緣襯底、平面螺旋感應線圈和拾振結構依次右下而上固定設 置，支撐結構位於平面螺旋感應線圈和拾振結構的外側並與絕緣襯底固定連接。所述的絕緣襯底為石英或玻璃製成。所述的平面螺旋感應線圈為感應線圈繞組結構，具體為方形或圓形的多層多匝螺 旋金屬銅線圈按螺旋漸開的方式組合構成，其中金屬銅線圈的高度、寬度以及匝與匝之間 的距離為10微米-30微米。所述的感應線圈繞組內設有絕緣材料，如氧化鋁或聚醯亞胺或聚氯代對二甲苯。所述的拾振結構包括若干蛇形彈簧、若干個環形永磁體和中心永磁體，其中中 心永磁體位於拾振結構的圓心，若干個環形永磁體依次由內而外套接於中心永磁體的外 部，若干蛇形彈簧依次徑向設置於支撐結構、環形永磁體和中心永磁體之間的空隙處。所述的蛇形彈簧包括位於中心永磁體與相鄰環形永磁體之間的內蛇形彈簧、位 於兩個相鄰的環形永磁體之間的過渡蛇形彈簧以及位於環形永磁體與相鄰的支撐結構之 間的外蛇形彈簧。所述的蛇形彈簧為單匝或多匝S形結構的電鍍鎳或電鍍銅製成，其中的S形結構 的圓弧部分的內徑為20-100微米，S形結構的平直部分長為50-500微米，單個彈簧的長度 為100-200微米。所述的外蛇形彈簧的個數為6-20個，每個蛇形彈簧的寬度為20-60微米，厚度為 20-60微米；所述的過渡蛇形彈簧的個數為6-16個，每個蛇形彈簧的寬度為10-50微米，厚度 為10-50微米；所述的內蛇形彈簧的個數為4-12個，每個蛇形彈簧的寬度為5-40微米，厚度為 4-40微米；本發明中的蛇形彈簧分布在磁體周圍，這樣磁體受力均勻，克服了懸臂梁或簡支 梁應力集中地問題，同時也加大了磁體振幅，更有利於能量採集。所述的支撐結構是通過電鍍鎳或銅等金屬或微電鑄形成的方形或者弧形柱狀結 構，採用室溫下多次疊層電鍍鎳或銅等金屬製作或微電鑄。所述的中心永磁體與環形永磁體為同心設置，所述的中心永磁體、環形永磁體以 及平面螺旋感應線圈為同軸設置，以使磁感應線更加集中，因而線圈中心磁感應強度最強， 更加有效地利用諧振產生的能量，能量轉換效率更高。所有永磁體因其每個永磁體各不相 同因而有不同的固有諧振頻率，通過適當控制諧振永磁體的相對質量、位置和形狀，產生在 一定頻譜範圍內受迫諧振，採集環境中的振動能量。本發明主要用於採集自然環境中廣泛存在的100-1000赫茲中某一特定頻率範圍內的低頻振動能。通過由蛇形彈簧和圓形環形磁體交互連接形成的拾振結構與外界發生諧 振，根據法拉第定律，當器件這這一特定頻率範圍內振動時，通過平面螺旋感應線圈產生較 大感應電流。根據理論分析，能量採集器通常應工作在諧振狀態(拾振固有頻率與環境振 動頻率相等)，此時受迫振幅最大，輸出功率也最大。本發明採用了三個同心圓型永磁體作 為拾振結構，而每個永磁體都各有其不變的固有諧振頻率，適當選取連接材料，利用有限元 模擬和實驗分析，找出拾振結構產生電流的三個不同的峰值，然後通過改變相對位置、彈簧 剛度和長度以及不同的電鍍材料，對三個峰值進行整合，使拾振結構在這一固定的頻譜範 圍內產生較大電流，得出發生諧振的一定範圍頻譜，這克服了以往利用單一拾振結構(一 個永磁快和彈簧)只有某一特定固有頻率的缺陷和利用懸臂梁結構造成應力集中的毛病， 使電磁式能量採集器的實用性又向前推進了 一步。本發明永磁體和蛇形彈簧組成的拾振結構，主要通過改變磁通量來產生感應電動 勢而不是通過切割磁感線來產生電動勢，諧振永磁體位於感應線圈繞組的一側而不穿過感 應線圈所在的平面。利用蛇形彈簧作為永磁體與永磁體之間、永磁體與支撐臺之間的連接， 而不是通常所用的懸臂梁或簡支梁做支撐，一方面，這樣永磁快有更大的自由度，可以使其 有更大的振幅，採能效率更高，並且可以對外界振動產生緩衝，避免應力集中折斷或拉壞； 另一方面，這可以使磁體除了在主方向(垂直於彈簧和永磁體平面方向)上產生諧振能量 採集外，在水平方向產生擺動或輕微轉動，由於切割磁感線而產生感應電流，這樣也能進行 能量採集，可以進一步提高能量採集效率。在拾振結構的內部永磁體、拾振結構和平面螺旋 感應線圈都是在同一圓心或同一主軸上，這樣有利於磁感線集中，磁感強度在線圈內比較 強，磁通量變化大，因而能量採集效率高，避免由于震動或磁體分散而造成磁場損失。本發明將感應線圈做在永磁體拾振結構下方固定，而不是做成繞在懸臂梁或薄膜 的可動部件上，因此無需在底部做成懸臂梁或是薄膜結構，這樣工藝要求比較低，可以在一 定面積上獲得面積更大，匝數更多的線圈繞組，甚至可以利用絕緣層進行多層多匝繞線，在 相同的振動下產生更大的感應電動勢。本發明克服了以前基於MEMS的電磁式寬頻帶振動能量採集器在製作工藝的不 足，傳統的磁片粘結技術精度差，體積大，集成度低，難以滿足MEMS設計和製造要求；掩膜 電鍍工藝對外界要求高，厚度很有限，表面性能低，存在應力問題。本發明的拾振結構採用 電鍍工藝和微結構圖形化相結合的方法，利用電鍍生成磁性材料基底和彈簧，這樣可以保 證二者的銜接，然後利用光刻和微結構圖形化工藝直接將永磁體通過微加工技術，做成圓 形和圓環形集成在器件上，工藝簡單便於集成和批量生產。本發明的主要創新點1利用多個可動永磁體不同的諧振頻率，通過建模和理論 分析得出在一定頻譜範圍內實現諧振，完成一定範圍內頻率採集。2永磁體之間採用電鍍彈 簧連接，這樣永磁體有較大自由度，較懸臂梁或簡支梁，有較大改進。3電鍍蛇形彈簧在水 平面上可以產生一定量拉伸，除了在主方向(垂直於彈簧和永磁體平面方向)上產生諧振 能量採集外，在水平方向產生擾動或輕微轉動，也能進行能量採集，並且較梁結構有阻尼更 小，進一步提高了能量採集效率。4永磁體在同一個平面上，中間均以電鍍蛇形彈簧連接，制 作工藝簡單，便與加工。5永磁體均以同心的圓形或圓環形結構，這樣有利於把磁場集中在 圓環中心部分，這可以減少磁力損失，更有效進行能量採集。6平面螺旋感應線圈繞組在永 磁體拾振結構下方固定絕緣基底上，並且與圓形和環形永磁體拾振結構在同一主軸上，這
5樣只要永磁體在振動，就能產生相應的磁感應電流。7磁感應線圈繞組在固定的絕緣基底 上，之間利用氧化鋁或聚醯亞胺絕緣，這樣可以獲得匝數跟多、面積更大的線圈組，而且還 可以進行多層多匝繞組。8永磁體集成技術方面摒棄了傳統的磁片粘結和微裝配手段以及 掩膜電鍍工藝，直接將永磁體通過微加工技術，做成圓形和圓環形集成在器件上，工藝簡單 便於集成和批量生產。
圖1為實施例1結構示意圖。圖2為實施例1拾振結構圖。圖3為實施例2結構示意圖。圖4為實施例3結構示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本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具有三個永磁體構成拾振結構的一個微型電磁式寬頻帶振動能量採集器如圖1所示，本實施例包括絕緣襯底1、平面螺旋感應線圈2、拾振結構3和8個 支撐結構4，其中絕緣襯底1、平面螺旋感應線圈2和拾振結構3依次右下而上固定設置， 支撐結構4位於平面螺旋感應線圈2和拾振結構3的外側並與絕緣襯底1固定連接。所述的絕緣襯底1為石英或玻璃製成。所述的平面螺旋感應線圈2為感應線圈繞組結構，具體為方形或圓形的多層多匝 螺旋金屬銅線圈5按螺旋漸開的方式組合構成，其中金屬銅線圈5的高度、寬度以及匝與匝 之間的距離為20微米。所述的感應線圈繞組內設有絕緣材料6，如氧化鋁或聚醯亞胺或聚氯代對二甲苯。所述的拾振結構3包括20個蛇形彈簧7、2個環形永磁體8和中心永磁體9，其 中中心永磁體9位於拾振結構3的圓心，2個環形永磁體8依次由內而外套接於中心永磁 體9的外部，20個蛇形彈簧7依次徑向設置於支撐結構4、環形永磁體8和中心永磁體9之 間的空隙處。所述的蛇形彈簧7包括位於中心永磁體9與相鄰環形永磁體8之間的內蛇形彈 簧10、位於兩個相鄰的環形永磁體8之間的過渡蛇形彈簧11以及位於環形永磁體8與相鄰 的支撐結構4之間的外蛇形彈簧12。所述的蛇形彈簧7為單匝S形結構的電鍍銅製成，其中的S形結構的圓弧部分13 的內徑為30微米，S形結構的平直部分14長為100微米，單個彈簧的長度為150微米。所述的外蛇形彈簧12的個數為8個，每個蛇形彈簧7的寬度為50微米，厚度為50 微米；所述的過渡蛇形彈簧11的個數為8個，每個蛇形彈簧7的寬度為40微米，厚度為 40微米；
所述的內蛇形彈簧10的個數為4個，每個蛇形彈簧7的寬度為40微米，厚度為50 微米；本發明中的蛇形彈簧7分布在磁體周圍，這樣磁體受力均勻，克服了懸臂梁或簡 支梁應力集中地問題，同時也加大了磁體振幅，更有利於能量採集。所述的支撐結構4是通過電鍍鎳或銅等金屬或微電鑄形成的方形或者弧形柱狀 結構，採用室溫下多次疊層電鍍鎳或銅等金屬製作或微電鑄。如圖1所示，絕緣襯底1上濺射有導電金屬層15，其厚度為10微米。實施例2具有四個永磁體構成拾振結構的一個微型電磁式寬頻帶振動能量採集器如圖3所示，為四個永磁體構成拾振結構的一個微型電磁式寬頻帶振動能量採集 器，其結構和原理與實施例1基本相同，所述的拾振結構3包括28個蛇形彈簧7、3個環形 永磁體8和中心永磁體9，其中中心永磁體9位於拾振結構3的圓心，3個環形永磁體8依 次由內而外套接於中心永磁體9的外部，28個蛇形彈簧7依次徑向設置於支撐結構4、環形 永磁體8和中心永磁體9之間的空隙處，這樣在振動頻譜圖上能顯示四個振動峰值，可以得 到由四個固有頻率整合而成的寬頻帶振動能量採集器。實施例3如圖4所示，本實施例包括絕緣襯底1、平面螺旋感應線圈2、拾振結構3和支撐 結構4，其中絕緣襯底1、平面螺旋感應線圈2和拾振結構3依次右下而上固定設置，支撐 結構4位於平面螺旋感應線圈2和拾振結構3的外側並與絕緣襯底1固定連接成為工字型
一體結構。所述的工字型一體結構的高度為1500微米，其固定頻率的振幅與平面螺旋感應 線圈2相接近。
權利要求
一種微型電磁式寬頻帶振動能量採集器，包括絕緣襯底、平面螺旋感應線圈、拾振結構和支撐結構，其特徵在於絕緣襯底、平面螺旋感應線圈和拾振結構依次右下而上固定設置，支撐結構位於平面螺旋感應線圈和拾振結構的外側並與絕緣襯底固定連接。
2.根據權利要求1所述的微型電磁式寬頻帶振動能量採集器，其特徵是，所述的平面 螺旋感應線圈為感應線圈繞組結構，具體為方形或圓形的多層多匝螺旋金屬銅線圈按螺旋 漸開的方式組合構成。
3.根據權利要求2所述的微型電磁式寬頻帶振動能量採集器，其特徵是，所述的感應 線圈繞組內設有絕緣材料。
4.根據權利要求1所述的微型電磁式寬頻帶振動能量採集器，其特徵是，所述的拾振 結構包括若干蛇形彈簧、若干個環形永磁體和中心永磁體，其中中心永磁體位於拾振結 構的圓心，若干個環形永磁體依次由內而外套接於中心永磁體的外部，若干蛇形彈簧依次 徑向設置於支撐結構、環形永磁體和中心永磁體之間的空隙處。
5.根據權利要求4所述的微型電磁式寬頻帶振動能量採集器，其特徵是，所述的中心 永磁體與環形永磁體為同心設置，所述的中心永磁體、環形永磁體以及平面螺旋感應線圈 為同軸設置
6.根據權利要求4所述的微型電磁式寬頻帶振動能量採集器，其特徵是，所述的蛇形 彈簧包括位於中心永磁體與相鄰環形永磁體之間的內蛇形彈簧、位於兩個相鄰的環形永 磁體之間的過渡蛇形彈簧以及位於環形永磁體與相鄰的支撐結構之間的外蛇形彈簧。
7.根據權利要求4或6所述的微型電磁式寬頻帶振動能量採集器，其特徵是，所述的蛇 形彈簧為單匝或多匝S形結構的電鍍鎳或電鍍銅製成。
8.根據權利要求6所述的微型電磁式寬頻帶振動能量採集器，其特徵是，所述的外蛇 形彈簧的個數為6-20個，每個蛇形彈簧的寬度為20-60微米，厚度為20-60微米；所述的過 渡蛇形彈簧的個數為6-16個，每個蛇形彈簧的寬度為10-50微米，厚度為10-50微米；所述 的內蛇形彈簧的個數為4-12個，每個蛇形彈簧的寬度為5-40微米，厚度為4-40微米。
9.根據權利要求1所述的微型電磁式寬頻帶振動能量採集器，其特徵是，所述的支撐 結構是通過電鍍鎳或銅等金屬或微電鑄形成的方形或者弧形柱狀結構，採用室溫下多次疊 層電鍍鎳或銅等金屬製作或微電鑄。
10.根據權利要求1或9所述的微型電磁式寬頻帶振動能量採集器，其特徵是，所述的 支撐結構與絕緣襯底固定連接成為工字型一體結構。
全文摘要
一種微機電系統技術領域的微型電磁式寬頻帶振動能量採集器，包括絕緣襯底、平面螺旋感應線圈、拾振結構和支撐結構，其中絕緣襯底、平面螺旋感應線圈和拾振結構依次右下而上固定設置，支撐結構位於平面螺旋感應線圈和拾振結構的外側並與絕緣襯底固定連接。本發明通過多個由彈簧連接的環狀永磁體振動模態的疊加實現寬頻帶能量採集，並利用微結構圖形化方法實現永磁體的集成製造，而且由於圖形化的永磁體可以有較厚的微結構，因而比電鍍永磁體有更好的能量採集和轉化效率，與IC工藝相兼容，易於批量化加工。
文檔編號H02K33/18GK101860169SQ20101019950
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月12日 優先權日2010年6月12日
發明者丁桂甫, 楊卓青, 王豔, 陶凱 申請人:上海交通大學