基於柔性聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器的製作方法

2024-02-07 15:17:15

專利名稱：基於柔性聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於柔性聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器，通過對柔性聚合物壓電材料(如聚偏氟乙烯，PVDF)、永磁體(如釹鐵硼，NdFeB )、微機電系統(MEMS)電感線圈進行組裝，實現了多模態、複合式的能量採集，可以有效地收集環境中的低頻振動，為低功耗微電子器件供能。
背景技術：
隨著科技水平的不斷發展，物聯網技術已經成為當前信息技術的研究熱點，具有很大的發展前景，無線微型傳感器是物聯網中必不可少的器件，由於工作環境的限制，傳統的功能方法如電池、傳輸線等並不能滿足無線微型傳感器的需求，因此需要採用新的供能方法。因此，能量採集技術應運而生。能量採集是將環境中的各種能量通過某種方式轉換為電能，從而為微電子器件提供能量。環境中的能量主要有太陽能、風能、振動能等等。對於太陽能和風能，器件的輸出性能均會受天氣影響，造成供能的不穩定。相比之下，振動能是無處不在的，製備將振動能轉化為電能的器件可以解決物聯網中無線微型傳感器的供能問題。目前，基于振動的能量採集器主要有三種工作方式靜電式、壓電式、電磁式。靜電式能量採集器輸出電壓較高，但是工作過程中需要外加電源，因此不適於無線微型傳感器的供能。壓電式能量採集器和電磁式能量採集器則不需外加電源，可以用於無線微型傳感器的供能。H. L i u 等人在 「Piezoelectric MEMS Energy HarvesterforLow-FrequencyVibrations With Wideband OperationRange and Steadily IncreasedOutputPower(IEEE Journalof Microelectromechanical System 2011, 20:1131-1142)(中文題目「適用於低頻振動的寬頻帶穩定高輸出型壓電式微機電系統能量採集器」，國際期刊IEEE微電子機械系統學報)文章中報導了一種d31模態的壓電能量採集器，其諧振頻率為36Hz，適用於採集環境中的低頻振動，但是輸出電壓相對較低，為124mV。Y. B. Jeon 等人在「MEMS power generator withtransverse mode thin filmPZT」 (Sensors and Actuators A, 2005，122:16-22)(中文題目「基於橫向模態的鋯鈦酸鉛薄膜微機電系統能量採集器」，國際期刊傳感器和執行器A)文章中報導了一種d33模態的壓電能量採集器，其輸出電壓高達3V，但是諧振頻率過高，為13. 9kHz。1.Sari 等 人 在 「An ElectromagneticMicro Power Generator forLow-FrequencyEnvironmental Vibrations Basedonthe Frequency Upconversion Technique，，(IEEEJournalofMicroelectromechanical System 2010, 19:14-27)(中文題目「基於升頻技術的適用於環境低頻振動採集的電磁式能量採集器」，國際期刊=IEEE微電子機械系統學報)報導了一種基於升頻結構的電磁式能量採集器，可以有效地收集環境中的低頻振動。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於柔性聚合物壓電材料(PVDF)的多模態、複合式能量採集器。首先將壓電材料的d31模態和d33模態結合，實現低諧振頻率與高輸出。此外在多模態壓電能量採集器的基礎上增加電磁模塊，實現優勢互補。電磁模塊中的電感線圈利用MEMS電鍍銅工藝進行製備。一種基於聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器，包括聚合物薄膜、聚合物懸臂梁、質量塊、銅支柱。進一步地,還包括電感線圈。進一步地，聚合物薄膜為柔性聚合物PVDF薄膜，聚合物懸臂梁為PVDF懸臂梁，質量塊為永磁鐵質量塊，優選為NdFeB永磁體質量塊。進一步地，採集器下襯底為聚合物薄膜，上襯底為電感線圈或聚合物薄膜。一種基於聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器的製備方法，按順序包括如下步驟(A)準備帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(B)將PVDF薄膜置於下襯底；(C)搭建銅支柱，用於支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(D)將PVDF懸臂梁置於銅支柱上，在懸臂梁末端加質量塊；(E)將上襯底置於銅支柱上；(F)引出電極，完成能量採集器製備。進一步地，在步驟(A)之前還包括(S)電感線圈的製備。(S)電感線圈的製備按順序包括如下步驟任選的(SI)對準備的矽片進行清洗；(S2)矽片雙面氧化生長200-500nm的SiO2絕緣層；(S3)濺射10-50nm的Ti種子層和200_500nm的Cu種子層；(S4)旋塗厚的正膠，並光刻；(S5)電鍍平面螺旋Cu線圈，高度為8-15 U m ；(S6)去除光刻膠和去除Ti/Cu種子層；(S7)將電感線圈置於上襯底。進一步地(S2)中SiO2絕緣層厚度為300nm ；(S3)中Ti種子層厚度為30nm，Cu種子層厚度為300nm;(S4)中正膠厚度 IOiim ;(S5)中Cu線圈高度為10 ii m。一種基於聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器的製備方法，按順序包括如下步驟(A)準備帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(B)將PVDF薄膜置於上、下襯底；(C)搭建銅支柱，用於支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(D)將PVDF懸臂梁置於銅支柱上，在懸臂梁末端加質量塊；(E)將上襯底置於銅支柱上；(F)引出電極，完成能量採集器製備。
上述能量採集器的用途可以收集環境中的低頻振動，為低功耗為電子器件供能。利用本發明製造的基於柔性聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器優點在於(I)採用柔性聚合物材料作為懸臂梁，降低了能量採集器的諧振頻率，可以有效地採集環境中的低頻振動；(2)本發明將電磁式與壓電式能量採集器複合，實現了二者的優勢互補；(3)本發明將壓電式能量採集器的d31模態與d33模態結合在一起，實現了不同模態的優勢互補。


下面結合附圖對本發明作進一步說明圖1為本發明的基於柔性聚合物壓電材料的多模態能量採集器示意圖。圖2為本發明的基於柔性聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器的工作原理示意圖。圖3為本發明的MEMS銅電感線圈的SEM照片。圖4為本發明的MEMS銅電感線圈的製備工藝流程。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵、優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明實施例作進一步詳細的說明。實施例1例I為d31與d33模態複合式壓電能量採集器，該器件的結構主要包括PVDF薄膜、PVDF懸臂梁、質量塊、銅支撐柱。外界環境中的振動會引起PVDF懸臂梁振動，產生d31模態的輸出；與此同時，末端質量塊隨PVDF懸臂梁振動，對下襯底上的PVDF薄膜進行敲擊，產生d33模態的輸出。由於器件中不包含電磁模塊，因此電感線圈的製備步驟可以省略，PVDF懸臂梁末端的質量塊亦可用其它物質代替，其具體製備步驟如下(I)準備厚度為100 U m,帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(2)將PVDF薄膜置於下襯底；(3)搭建銅支柱，用於支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(4)將PVDF懸臂梁置於銅支柱上，在懸臂梁末端加質量塊；(5)將上襯底置於銅支柱上；(6)引出電極，完成器件製備。參照圖1，圖1為本發明的基於柔性聚合物壓電材料的多模態能量採集器示意圖。實施例2例2在d31與d33模態複合式壓電能量採集器的基礎上增加了電磁模塊，該器件的結構主要包括=PVDF薄膜、PVDF懸臂梁、質量塊、銅支撐柱以及MEMS平面電感線圈。當外界振動使PVDF懸臂梁振動時，除了產生壓電輸出，電感線圈中的磁通量會發生變化從而產生電磁輸出，其具體製備步驟如下(I)備片、進行矽片清洗；(2)在矽片上雙面氧化生長300nm的SiO2絕緣層；(3)派射30nm的Ti種子層和300nm的Cu種子層；
(4)旋塗10 ii m厚的正膠、第光刻；(5)電鍍平面螺旋Cu線圈，高度為10 ii m ;(6)去除光刻膠；(7)去除Ti/Cu種子層；(8)將電感線圈置於上襯底；(9)準備厚度為100 U m,帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(10)將PVDF薄膜置於下襯底；(11)搭建銅支柱，用於支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(12)將PVDF懸臂梁置於銅支柱上，在懸臂梁末端加永磁體質量塊；( 13)將上襯底置於銅支柱上；(14)引出電極，完成器件製備。參照圖2，圖2為本發明的基於柔性聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器的工作原理示意圖。參照圖3，圖3為本發明的MEMS銅電感線圈的SEM照片。參照圖4，圖4為本發明的MEMS銅電感線圈的製備工藝流程。實施例3例三在d31與d33模態複合式壓電能量採集器的基礎上，在上襯底也增加了 PVDF薄膜，即將例2中的MEMS平面電感線圈替換為PVDF薄膜。該器件的結構主要包括PVDF薄膜、PVDF懸臂梁、質量塊、銅支撐柱。外界振動使PVDF懸臂梁振動，產生d31模態的輸出；同時，末端質量塊對上、下襯底上的PVDF薄膜進行敲擊，產生d33模態的輸出。其具體製備步驟如下(I)準備厚度為100 U m,帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(2)將PVDF薄膜置於上、下襯底；(3)搭建銅支柱，用於支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(4)將PVDF懸臂梁置於銅支柱上，在懸臂梁末端加質量塊；(5)將上襯底置於銅支柱上；(6)引出電極，完成器件製備。以上對本發明所提供的一種基於柔性聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種基於聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器，其特徵在於包括聚合物薄膜、聚合物懸臂梁、質量塊、銅支柱。
2.根據權利要求1所述的能量採集器，其特徵在於還包括電感線圈。
3.根據權利要求1所述的能量採集器，其特徵在於聚合物薄膜為柔性聚合物PVDF薄膜，聚合物懸臂梁為PVDF懸臂梁，質量塊為永磁鐵質量塊，優選為NdFeB永磁體質量塊。
4.根據權利要求1所述的能量採集器，其特徵在於採集器下襯底為聚合物薄膜，上襯底為電感線圈或聚合物薄膜。
5.一種基於聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器的製備方法，其特徵在於按順序包括如下步驟(A)準備帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(B)將PVDF薄膜置於下襯底；(C)搭建銅支柱，用於支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(D)將PVDF懸臂梁置於銅支柱上，在懸臂梁末端加質量塊；(E)將上襯底置於銅支柱上；(F)引出電極，完成能量米集器製備。
6.根據權利要求5所述的基於聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器的製備方法，其特徵在於在步驟(A)之前還包括(S)電感線圈的製備。
7.根據權利要求6所述的基於聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器的製備方法，其特徵在於(S)電感線圈的製備按順序包括如下步驟任選的(SI)對準備的矽片進行清洗；(52)矽片雙面氧化生長200-500nm的Si02絕緣層；(53)濺射10-50nm的Ti種子層和200_500nm的Cu種子層；(54)旋塗8-15μ m厚的正膠，並光刻；(55)電鍍平面螺旋Cu線圈，高度為8-15μπι;(56)去除光刻膠和去除Ti/Cu種子層；(57)將電感線圈置於上襯底。
8.根據權利要求7所述的基於聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器的製備方法，其特徵在於(52)中Si02絕緣層厚度為300nm；(53)中Ti種子層厚度為30nm，Cu種子層厚度為300nm;(54)中正膠厚度IOym；(55)中Cu線圈高度為10μ m。
9.一種基於聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器的製備方法，其特徵在於按順序包括如下步驟(A)準備帶有金屬鋁電極的PVDF薄膜與PVDF懸臂梁；(B)將PVDF薄膜置於上、下襯底；(C)搭建銅支柱，用於支撐PVDF懸臂梁和上襯底；(D)將PVDF懸臂梁置於銅支柱上，在懸臂梁末端加質量塊；(E)將上襯底置於銅支柱上；(F)引出電極，完成能量米集器製備。
10.一種權利要求1-4中的能量採集器或根據權利要求5-9製備得到的能量採集器的用途，其特徵在於收集環境中的低頻振動，為低功耗為電子器件供能。
全文摘要
本發明涉及一種基於柔性聚合物壓電材料的多模態複合式能量採集器,通過對柔性聚合物壓電材料(如聚偏氟乙烯，PVDF)、永磁體(如釹鐵硼，NdFeB)、微機電系統(MEMS)電感線圈進行組裝，實現了多模態、複合式的能量採集，可以有效地收集環境中的低頻振動，為低功耗微電子器件供能。
文檔編號H02K35/02GK103036477SQ201210552010
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月18日 優先權日2012年12月18日
發明者張海霞, 韓夢迪, 張守鶴 申請人:北京大學