基於mems的碰撞式微型壓電風能採集器的製作方法

2023-05-22 00:08:26

專利名稱：基於mems的碰撞式微型壓電風能採集器的製作方法
技術領域：
本發明屬於基於微機電系統(MEMS,Micro-Electro-Mechanical Systems)技術的可再生能源領域，特別涉及到利用碰撞現象降低微型風能採集器的臨界風速和提高輸出性倉泛。
背景技術：
將環境中的物理能(如微型太陽能電池、熱電池、振動能採集器、風能採集器等)轉換為電能的微型能量採集器具有低成本、小體積、長壽命、易集成、不需更換或充電等優點，是無線傳感節點、自治式微系統等的理想電源，逐步受到國內外的廣泛關注。由於環境振動能隨處可見，國內外對微型振動能採集器開展了大量的研究。風能是自然界廣泛存在的另
一種可再生清潔能源，將風能轉換為電能的微型風能採集器逐步成為目前國內外微能源研究的熱點。同帶有轉子的風能採集器相比，基於風致振動機理的微型風能採集器不包括轉動部件，具有結構簡單、易於加工和可微型化等顯著優點，是微型風能採集器的一種易於實現的技術方案。但是，現有的微型風能採集器只有當風速大於特定值(臨界風速)時，基於風致振動機理的微型風能採集器才有較大的輸出功率。對於基於風致振動機理的微型風能採集器而言，當其振動部分的固有頻率越高，其臨界風速越大。低頻的微機電系統(MEMS)十分脆弱，採用光刻、澱積、刻蝕等微加工工藝難以製作出低頻MEMS能量採集單元，因此目前的MEMS微型風能採集器的臨界風速很高，遠高於常規環境中可供利用的風速，這極大地限制了 MEMS微型風能採集單元的實際應用，因此研究降低包含MEMS能量採集單元的微型風能採集器的臨界風速的方法對擴大其應用範圍具有重要意義。

發明內容
本發明針對現有微型風能採集器臨界風速過高的問題，提出將碰撞引入微型風能採集器，以降低其臨界風速和提高其輸出性能。為了實現上述發明目的，本發明採取以下技術方案
一種基於MEMS的碰撞式微型壓電風能採集器，包括底座、固定臺、柔性懸臂梁；柔性懸臂梁的一端通過固定臺與底座相連；
其中，柔性懸臂梁由薄金屬片、MEMS壓電能量採集單元和管殼構成；MEMS壓電能量採集單元設於管殼內並與管殼一起固定於薄金屬片的一端，薄金屬片的另一端與固定臺相連；
在底座上位於柔性懸臂梁下方設有限位塊，限位塊頂部與柔性懸臂梁下表面之間有一個初始間距；
所述柔性懸臂梁與風向形成一個小於30°的初始攻角。
在將以上碰撞式微型壓電風能採集器置於風場中發電時，將其固定臺相對於來流方向置於柔性懸臂梁的前方，並使柔性懸臂梁與來流方向形成一個小於30°的初始攻角。在風載荷作用下，氣流將首先到達固定臺，該固定臺同時也是一個鈍體，來流通過該固定臺後在其後面產生渦街，使流場發生顯著變化，導致位於其後面的柔性懸臂梁的上、下表面之間產生隨時間變化的空氣壓力差，該壓力差將引起懸臂梁的振動。當風速達到懸臂梁的臨界風速時，壓力差的頻率與懸臂梁的固有頻率接近，懸臂梁將產生強烈的風致振動，並與其下面的限位塊不斷發生碰撞；懸臂梁與限位塊的每次碰撞都將給MEMS壓電能量採集單元一個衝量，使MEMS壓電能量採集單元產生強烈振動；懸臂梁很軟，其固有頻率遠低於MEMS能量採集單元自身的固有頻率，懸臂梁與限位塊的碰撞頻率低於或等於懸臂梁的固有頻率，因此在每兩次碰撞之間，MEMS壓電採集單元都將發生多次往還振動；在MEMS壓電採集單元振動時，位於其壓電層上、下表面的電極之間將產生交替變化的電勢差，利用該電勢差就可以為負載供電。相比現有技術，本發明具有如下有益效果
I、本發明提出的基於MEMS的碰撞式微型壓電風能採集器，由MEMS壓電能量採集單元及管殼與薄金屬片構成的柔性懸臂梁很軟，其固有頻率遠低於MEMS採集單元自身的固有頻率，由於臨界風速隨固有頻率的降低而降低，因此採用以上結構顯著降低了臨界風速。2、本發明提出的基於MEMS的碰撞式微型壓電風能採集器，巧妙地利用懸臂梁與限位塊的碰撞產生的衝量使MEMS壓電能量採集單元產生強烈振動，實現了利用具有較高固有頻率的MEMS採集單元採集低速風能的目的。3、本發明中位於底座上的固定臺，不僅具有固定懸臂梁的功能，同時還具有鈍體的功能，該固定臺使懸臂梁附近的流場分布發生變化，擴大了動風載荷和降低了臨界風速，同時起到了減小尺寸和提高低速風作用下的輸出性能的目的。4、本發明中，MEMS壓電能量採集單元是在安裝於管殼內後才固定於薄金屬片的一端的，管殼可以對MEMS壓電能量採集單元進行保護，使其不易被損壞，可以有效提高採集器的工作壽命。5、本發明中，MEMS壓電能量採集單元採用MEMS技術進行製作，具有可批量化加工和低成本等優勢，在無線傳感等領域具有廣闊應用前景。


圖I是碰撞式微型壓電風能採集器的結構示意 圖2是熱氧化的二氧化矽示意 圖3是澱積下電極和壓電層後，圖形化的壓電層示意 圖4是圖形化的下電極示意 圖5是澱積並圖形化的上電極不意 圖6是襯底正面形成的釋放槽示意 圖7是襯底背面澱積並圖形化的掩膜示意 圖8是從襯底背面釋放結構後得到的MEMS壓電能量採集單元示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細地描述。如圖I所不,一種基於MEMS的碰撞式微型壓電風能米集器,包括底座4、固定臺5、柔性懸臂梁7 ;柔性懸臂梁7的一端通過固定臺5與底座4相連。固定臺5設置在底座4上，固定臺5可以為長方體，也可以為其它形狀，或者由多個長方體重疊而成。柔性懸臂梁7由薄金屬片3、MEMS壓電能量採集單元I和管殼2構成。薄金屬片3的厚度為O. lmnTlmm。MEMS壓電能量米集單兀I設於管殼2內並與管殼一起固定於薄金屬片3的一端,薄金屬片3的另一端與固定臺5相連。薄金屬片3的另一端可以是安裝在固定臺5的上表面，也可以安裝在固定臺5的中間位置。在底座4上位於柔性懸臂梁7下方設有限位塊6，該限位塊6安裝在底座4上，並且限位塊6頂部與柔性懸臂梁7下表面之間有一個初始間距；該初始間距為O. 5mnTl0mm。柔性懸臂梁7與風向形成一個小於30°的初始攻角。在將以上碰撞式微型壓電風能採集器置於風場中發電時，將其固定臺相對於來流方向置於柔性懸臂梁的前方，並使柔性懸臂梁與來流方向形成一個小於30°的初始攻角。在風載荷作用下，氣流首先到達固定臺5，該固定臺同時也是一個鈍體，由於固定臺的影響，氣流通過固定臺後流場發生顯著變化，在其後面產生渦街，導致位於其後面的柔性懸臂梁7的上、下表面之間產生隨時間變化的空氣壓力差，該壓力差將引起懸臂梁7的振動。當風速達到懸臂梁7的臨界風速時，壓力差的頻率與懸臂梁7的固有頻率接近，懸臂梁7將產生強烈的風致振動，進一步位於其下面的限位塊6不斷發生碰撞；懸臂梁7與限位塊6的每次碰撞都將給MEMS壓電能量採集單元I 一個衝量，使MEMS壓電能量採集單元I產生強烈振動；由MEMS壓電能量採集單元I和薄金屬片2構成的懸臂梁7很軟，其固有頻率遠低於MEMS能量採集單元I自身的固有頻率，懸臂梁7與限位塊6的碰撞頻率低於或等於懸臂梁 的固有頻率，因此在每兩次碰撞之間，MEMS壓電採集單元I都將發生多次往還振動；在MEMS壓電採集單元I振動時，位於其壓電層上、下表面的電極之間將產生交替變化的電勢差，利用該電勢差就可以為負載供電。以上基於MEMS的碰撞式微型壓電風能採集器中，其MEMS壓電能量採集單元採用矽基微加工技術進行製作，具體製作步驟如下
I、選取單面拋光的單晶矽片作為襯底8，首先通過熱氧化生長約200nm的SiO2層9，如圖2所示。2、採用濺射法在襯底正面生長120nm/150nm的Ti/Pt層作為下電極10，進一步採用溶膠-凝膠法在襯底正面生長厚度約Iym的鋯鈦酸鉛(PZT)作為壓電層11，襯底正面塗光刻膠，正面第I次光刻，並通過溼法腐蝕對PZT膜進行圖形化，取出光刻膠，形成壓電層圖形,如圖3所示。3、襯底正面塗光刻膠，正面第2次光刻，並通過溼法腐蝕分別腐蝕Pt層和Ti層至下面的SiO2層，取出光刻膠，形成下電極圖形，如圖4所示。4、採用濺射法在襯底正面生長120nm/150nm的Ti/Pt層作為上電極12，襯底正面塗光刻膠，正面第3次光刻，並通過溼法腐蝕分別腐蝕Pt層和Ti層，取出光刻膠，形成上電極圖形，如圖5所示。5、在襯底正面塗厚光刻膠，正面第4次光刻，溼法腐蝕SiO2層，進一步採用感應耦合等離子刻蝕從襯底正面刻蝕單晶矽層3(Γ50μπι，去除光刻膠，形成正面釋放槽圖形13，如圖6所示。6、採用濺射法在襯底背面濺射厚度300nm的Al層14，在襯底背面塗光刻膠，背面第I次光刻，溼法腐蝕Al層和SiO2層，去除光刻膠，形成Al掩膜圖形，如圖7所示。7、採用感應耦合等離子刻蝕從襯底背面刻蝕單晶矽層至刻透釋放槽，得到釋放了的微結構，採用直流電壓對PZT層進行極化，將PZT膜極化為壓電膜，最後得到MEMS壓電振動能採集單元1，如圖8所示。以上壓電層也可以不用PZT材料，而改用PVDF、ZnO、AlN等，壓電層的生長也可以採用濺射、MOCVD等方法。本發明提出的基於MEMS的碰撞式微型壓電風能採集器，儘管其MEMS壓電能量採集單元的固有頻率較高，但由該採集單元、管殼和薄金屬片構成的懸臂梁比較軟，具有較低
的固有頻率和較低的臨界風速，通過柔性懸臂梁與限位塊的碰撞，以及該碰撞對MEMS壓電能量採集單元產生的衝擊，就可以將低速風能轉換為電能。本發明提出將碰撞引入微型風能採集器，以降低風能採集器的臨界風速和提高其輸出性能，進一步達到擴大其應用範圍的目的；另一方面，將在底座4上位於柔性懸臂梁7下方設有限位塊6，並且使限位塊6頂部與柔性懸臂梁下7表面之間有一個初始間距。固定臺同時作為鈍體，對流場進行調整，擴大作用於採集器的風載荷。採用本發明方法製作的MEMS壓電能量採集單元，它具有尺寸小、臨界風速低和可批量化製作等優點，在無線傳感等領域具有廣闊應用前景。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.基於MEMS的碰撞式微型壓電風能米集器,其特徵在於包括底座(4)、固定臺(5)、柔性懸臂梁(7);柔性懸臂梁(7)的一端通過固定臺(5)與底座(4)相連； 其中，柔性懸臂梁(7)由薄金屬片(3)、MEMS壓電能量採集單元(I)和管殼(2)構成；MEMS壓電能量米集單兀(I)設於管殼(2)內並與管殼一起固定於薄金屬片(3)的一端,薄金屬片(3)的另一端與固定臺(5)相連； 在底座(4)上位於柔性懸臂梁(7)下方設有限位塊(6)，限位塊(6)頂部與柔性懸臂梁(7)下表面之間有一個初始間距； 所述柔性懸臂梁(7)與風向形成一個小於30°的初始攻角。
2.根據權利要求I所述的基於MEMS的碰撞式微型壓電風能採集器，其特徵在於所述薄金屬片的厚度為O. lmnTlmm。
3.根據權利要求I所述的基於MEMS的碰撞式微型壓電風能採集器，其特徵在於所述柔性懸臂梁與限位塊之間的初始間距為O. 5mnTl0mm。
全文摘要
本發明公開了一種基於MEMS的碰撞式微型壓電風能採集器，包括底座、固定臺、柔性懸臂梁；柔性懸臂梁的一端通過固定臺與底座相連；柔性懸臂梁由薄金屬片、MEMS壓電能量採集單元和管殼構成；MEMS壓電能量採集單元設於管殼內並連同管殼一起固定於薄金屬片的一端，薄金屬片的另一端與固定臺相連；在底座上位於柔性懸臂梁下方設有限位塊；所述柔性懸臂梁與風向形成一個小於30°的初始攻角。本發明提出將碰撞引入微型風能採集器，以降低風能採集器的臨界風速和提高其輸出性能，進一步達到擴大其應用範圍的目的；另一方面，將固定臺同時作為鈍體，對流場進行調整，擴大作用於採集器的風載荷。
文檔編號F03D9/00GK102843066SQ201210333780
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月11日 優先權日2012年9月11日
發明者賀學鋒, 高軍 申請人:重慶大學