專利名稱：基于mems的碰撞式微型壓電風(fēng)能采集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-Mechanical Systems)技術(shù)的可再生能源領(lǐng)域，特別涉及到利用碰撞現(xiàn)象降低微型風(fēng)能采集器的臨界風(fēng)速和提高輸出性倉(cāng)泛。
背景技術(shù)：
將環(huán)境中的物理能(如微型太陽(yáng)能電池、熱電池、振動(dòng)能采集器、風(fēng)能采集器等)轉(zhuǎn)換為電能的微型能量采集器具有低成本、小體積、長(zhǎng)壽命、易集成、不需更換或充電等優(yōu)點(diǎn)，是無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)、自治式微系統(tǒng)等的理想電源，逐步受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。由于環(huán)境振動(dòng)能隨處可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)微型振動(dòng)能采集器開(kāi)展了大量的研究。風(fēng)能是自然界廣泛存在的另
一種可再生清潔能源，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的微型風(fēng)能采集器逐步成為目前國(guó)內(nèi)外微能源研究的熱點(diǎn)。同帶有轉(zhuǎn)子的風(fēng)能采集器相比，基于風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型風(fēng)能采集器不包括轉(zhuǎn)動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工和可微型化等顯著優(yōu)點(diǎn)，是微型風(fēng)能采集器的一種易于實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案。但是，現(xiàn)有的微型風(fēng)能采集器只有當(dāng)風(fēng)速大于特定值(臨界風(fēng)速)時(shí)，基于風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型風(fēng)能采集器才有較大的輸出功率。對(duì)于基于風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型風(fēng)能采集器而言，當(dāng)其振動(dòng)部分的固有頻率越高，其臨界風(fēng)速越大。低頻的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)十分脆弱，采用光刻、淀積、刻蝕等微加工工藝難以制作出低頻MEMS能量采集單元，因此目前的MEMS微型風(fēng)能采集器的臨界風(fēng)速很高，遠(yuǎn)高于常規(guī)環(huán)境中可供利用的風(fēng)速，這極大地限制了 MEMS微型風(fēng)能采集單元的實(shí)際應(yīng)用，因此研究降低包含MEMS能量采集單元的微型風(fēng)能采集器的臨界風(fēng)速的方法對(duì)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有微型風(fēng)能采集器臨界風(fēng)速過(guò)高的問(wèn)題，提出將碰撞引入微型風(fēng)能采集器，以降低其臨界風(fēng)速和提高其輸出性能。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案
一種基于MEMS的碰撞式微型壓電風(fēng)能采集器，包括底座、固定臺(tái)、柔性懸臂梁；柔性懸臂梁的一端通過(guò)固定臺(tái)與底座相連；
其中，柔性懸臂梁由薄金屬片、MEMS壓電能量采集單元和管殼構(gòu)成；MEMS壓電能量采集單元設(shè)于管殼內(nèi)并與管殼一起固定于薄金屬片的一端，薄金屬片的另一端與固定臺(tái)相連；
在底座上位于柔性懸臂梁下方設(shè)有限位塊，限位塊頂部與柔性懸臂梁下表面之間有一個(gè)初始間距；
所述柔性懸臂梁與風(fēng)向形成一個(gè)小于30°的初始攻角。
在將以上碰撞式微型壓電風(fēng)能采集器置于風(fēng)場(chǎng)中發(fā)電時(shí)，將其固定臺(tái)相對(duì)于來(lái)流方向置于柔性懸臂梁的前方，并使柔性懸臂梁與來(lái)流方向形成一個(gè)小于30°的初始攻角。在風(fēng)載荷作用下，氣流將首先到達(dá)固定臺(tái)，該固定臺(tái)同時(shí)也是一個(gè)鈍體，來(lái)流通過(guò)該固定臺(tái)后在其后面產(chǎn)生渦街，使流場(chǎng)發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致位于其后面的柔性懸臂梁的上、下表面之間產(chǎn)生隨時(shí)間變化的空氣壓力差，該壓力差將引起懸臂梁的振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到懸臂梁的臨界風(fēng)速時(shí)，壓力差的頻率與懸臂梁的固有頻率接近，懸臂梁將產(chǎn)生強(qiáng)烈的風(fēng)致振動(dòng)，并與其下面的限位塊不斷發(fā)生碰撞；懸臂梁與限位塊的每次碰撞都將給MEMS壓電能量采集單元一個(gè)沖量，使MEMS壓電能量采集單元產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)；懸臂梁很軟，其固有頻率遠(yuǎn)低于MEMS能量采集單元自身的固有頻率，懸臂梁與限位塊的碰撞頻率低于或等于懸臂梁的固有頻率，因此在每?jī)纱闻鲎仓g，MEMS壓電采集單元都將發(fā)生多次往還振動(dòng)；在MEMS壓電采集單元振動(dòng)時(shí)，位于其壓電層上、下表面的電極之間將產(chǎn)生交替變化的電勢(shì)差，利用該電勢(shì)差就可以為負(fù)載供電。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果
I、本發(fā)明提出的基于MEMS的碰撞式微型壓電風(fēng)能采集器，由MEMS壓電能量采集單元及管殼與薄金屬片構(gòu)成的柔性懸臂梁很軟，其固有頻率遠(yuǎn)低于MEMS采集單元自身的固有頻率，由于臨界風(fēng)速隨固有頻率的降低而降低，因此采用以上結(jié)構(gòu)顯著降低了臨界風(fēng)速。2、本發(fā)明提出的基于MEMS的碰撞式微型壓電風(fēng)能采集器，巧妙地利用懸臂梁與限位塊的碰撞產(chǎn)生的沖量使MEMS壓電能量采集單元產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了利用具有較高固有頻率的MEMS采集單元采集低速風(fēng)能的目的。3、本發(fā)明中位于底座上的固定臺(tái)，不僅具有固定懸臂梁的功能，同時(shí)還具有鈍體的功能，該固定臺(tái)使懸臂梁附近的流場(chǎng)分布發(fā)生變化，擴(kuò)大了動(dòng)風(fēng)載荷和降低了臨界風(fēng)速，同時(shí)起到了減小尺寸和提高低速風(fēng)作用下的輸出性能的目的。4、本發(fā)明中，MEMS壓電能量采集單元是在安裝于管殼內(nèi)后才固定于薄金屬片的一端的，管殼可以對(duì)MEMS壓電能量采集單元進(jìn)行保護(hù)，使其不易被損壞，可以有效提高采集器的工作壽命。5、本發(fā)明中，MEMS壓電能量采集單元采用MEMS技術(shù)進(jìn)行制作，具有可批量化加工和低成本等優(yōu)勢(shì)，在無(wú)線傳感等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。


圖I是碰撞式微型壓電風(fēng)能采集器的結(jié)構(gòu)示意 圖2是熱氧化的二氧化硅示意 圖3是淀積下電極和壓電層后，圖形化的壓電層示意 圖4是圖形化的下電極示意 圖5是淀積并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是襯底背面淀積并圖形化的掩膜示意 圖8是從襯底背面釋放結(jié)構(gòu)后得到的MEMS壓電能量采集單元示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖I所不,一種基于MEMS的碰撞式微型壓電風(fēng)能米集器,包括底座4、固定臺(tái)5、柔性懸臂梁7 ;柔性懸臂梁7的一端通過(guò)固定臺(tái)5與底座4相連。固定臺(tái)5設(shè)置在底座4上，固定臺(tái)5可以為長(zhǎng)方體，也可以為其它形狀，或者由多個(gè)長(zhǎng)方體重疊而成。柔性懸臂梁7由薄金屬片3、MEMS壓電能量采集單元I和管殼2構(gòu)成。薄金屬片3的厚度為O. lmnTlmm。MEMS壓電能量米集單兀I設(shè)于管殼2內(nèi)并與管殼一起固定于薄金屬片3的一端,薄金屬片3的另一端與固定臺(tái)5相連。薄金屬片3的另一端可以是安裝在固定臺(tái)5的上表面，也可以安裝在固定臺(tái)5的中間位置。在底座4上位于柔性懸臂梁7下方設(shè)有限位塊6，該限位塊6安裝在底座4上，并且限位塊6頂部與柔性懸臂梁7下表面之間有一個(gè)初始間距；該初始間距為O. 5mnTl0mm。柔性懸臂梁7與風(fēng)向形成一個(gè)小于30°的初始攻角。在將以上碰撞式微型壓電風(fēng)能采集器置于風(fēng)場(chǎng)中發(fā)電時(shí)，將其固定臺(tái)相對(duì)于來(lái)流方向置于柔性懸臂梁的前方，并使柔性懸臂梁與來(lái)流方向形成一個(gè)小于30°的初始攻角。在風(fēng)載荷作用下，氣流首先到達(dá)固定臺(tái)5，該固定臺(tái)同時(shí)也是一個(gè)鈍體，由于固定臺(tái)的影響，氣流通過(guò)固定臺(tái)后流場(chǎng)發(fā)生顯著變化，在其后面產(chǎn)生渦街，導(dǎo)致位于其后面的柔性懸臂梁7的上、下表面之間產(chǎn)生隨時(shí)間變化的空氣壓力差，該壓力差將引起懸臂梁7的振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到懸臂梁7的臨界風(fēng)速時(shí)，壓力差的頻率與懸臂梁7的固有頻率接近，懸臂梁7將產(chǎn)生強(qiáng)烈的風(fēng)致振動(dòng)，進(jìn)一步位于其下面的限位塊6不斷發(fā)生碰撞；懸臂梁7與限位塊6的每次碰撞都將給MEMS壓電能量采集單元I 一個(gè)沖量，使MEMS壓電能量采集單元I產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)；由MEMS壓電能量采集單元I和薄金屬片2構(gòu)成的懸臂梁7很軟，其固有頻率遠(yuǎn)低于MEMS能量采集單元I自身的固有頻率，懸臂梁7與限位塊6的碰撞頻率低于或等于懸臂梁 的固有頻率，因此在每?jī)纱闻鲎仓g，MEMS壓電采集單元I都將發(fā)生多次往還振動(dòng)；在MEMS壓電采集單元I振動(dòng)時(shí)，位于其壓電層上、下表面的電極之間將產(chǎn)生交替變化的電勢(shì)差，利用該電勢(shì)差就可以為負(fù)載供電。以上基于MEMS的碰撞式微型壓電風(fēng)能采集器中，其MEMS壓電能量采集單元采用硅基微加工技術(shù)進(jìn)行制作，具體制作步驟如下
I、選取單面拋光的單晶硅片作為襯底8，首先通過(guò)熱氧化生長(zhǎng)約200nm的SiO2層9，如圖2所示。2、采用濺射法在襯底正面生長(zhǎng)120nm/150nm的Ti/Pt層作為下電極10，進(jìn)一步采用溶膠-凝膠法在襯底正面生長(zhǎng)厚度約Iym的鋯鈦酸鉛(PZT)作為壓電層11，襯底正面涂光刻膠，正面第I次光刻，并通過(guò)濕法腐蝕對(duì)PZT膜進(jìn)行圖形化，取出光刻膠，形成壓電層圖形,如圖3所示。3、襯底正面涂光刻膠，正面第2次光刻，并通過(guò)濕法腐蝕分別腐蝕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、采用濺射法在襯底正面生長(zhǎng)120nm/150nm的Ti/Pt層作為上電極12，襯底正面涂光刻膠，正面第3次光刻，并通過(guò)濕法腐蝕分別腐蝕Pt層和Ti層，取出光刻膠，形成上電極圖形，如圖5所示。5、在襯底正面涂厚光刻膠，正面第4次光刻，濕法腐蝕SiO2層，進(jìn)一步采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕從襯底正面刻蝕單晶硅層3(Γ50μπι，去除光刻膠，形成正面釋放槽圖形13，如圖6所示。6、采用濺射法在襯底背面濺射厚度300nm的Al層14，在襯底背面涂光刻膠，背面第I次光刻，濕法腐蝕Al層和SiO2層，去除光刻膠，形成Al掩膜圖形，如圖7所示。7、采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕從襯底背面刻蝕單晶硅層至刻透釋放槽，得到釋放了的微結(jié)構(gòu)，采用直流電壓對(duì)PZT層進(jìn)行極化，將PZT膜極化為壓電膜，最后得到MEMS壓電振動(dòng)能采集單元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(zhǎng)也可以采用濺射、MOCVD等方法。本發(fā)明提出的基于MEMS的碰撞式微型壓電風(fēng)能采集器，盡管其MEMS壓電能量采集單元的固有頻率較高，但由該采集單元、管殼和薄金屬片構(gòu)成的懸臂梁比較軟，具有較低
的固有頻率和較低的臨界風(fēng)速，通過(guò)柔性懸臂梁與限位塊的碰撞，以及該碰撞對(duì)MEMS壓電能量采集單元產(chǎn)生的沖擊，就可以將低速風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。本發(fā)明提出將碰撞引入微型風(fēng)能采集器，以降低風(fēng)能采集器的臨界風(fēng)速和提高其輸出性能，進(jìn)一步達(dá)到擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的目的；另一方面，將在底座4上位于柔性懸臂梁7下方設(shè)有限位塊6，并且使限位塊6頂部與柔性懸臂梁下7表面之間有一個(gè)初始間距。固定臺(tái)同時(shí)作為鈍體，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，擴(kuò)大作用于采集器的風(fēng)載荷。采用本發(fā)明方法制作的MEMS壓電能量采集單元，它具有尺寸小、臨界風(fēng)速低和可批量化制作等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)線傳感等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.基于MEMS的碰撞式微型壓電風(fēng)能米集器,其特征在于包括底座(4)、固定臺(tái)(5)、柔性懸臂梁(7);柔性懸臂梁(7)的一端通過(guò)固定臺(tái)(5)與底座(4)相連； 其中，柔性懸臂梁(7)由薄金屬片(3)、MEMS壓電能量采集單元(I)和管殼(2)構(gòu)成；MEMS壓電能量米集單兀(I)設(shè)于管殼(2)內(nèi)并與管殼一起固定于薄金屬片(3)的一端,薄金屬片(3)的另一端與固定臺(tái)(5)相連； 在底座(4)上位于柔性懸臂梁(7)下方設(shè)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(gè)初始間距； 所述柔性懸臂梁(7)與風(fēng)向形成一個(gè)小于30°的初始攻角。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于MEMS的碰撞式微型壓電風(fēng)能采集器，其特征在于所述薄金屬片的厚度為O. lmnTlmm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于MEMS的碰撞式微型壓電風(fēng)能采集器，其特征在于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(fā)明公開(kāi)了一種基于MEMS的碰撞式微型壓電風(fēng)能采集器，包括底座、固定臺(tái)、柔性懸臂梁；柔性懸臂梁的一端通過(guò)固定臺(tái)與底座相連；柔性懸臂梁由薄金屬片、MEMS壓電能量采集單元和管殼構(gòu)成；MEMS壓電能量采集單元設(shè)于管殼內(nèi)并連同管殼一起固定于薄金屬片的一端，薄金屬片的另一端與固定臺(tái)相連；在底座上位于柔性懸臂梁下方設(shè)有限位塊；所述柔性懸臂梁與風(fēng)向形成一個(gè)小于30°的初始攻角。本發(fā)明提出將碰撞引入微型風(fēng)能采集器，以降低風(fēng)能采集器的臨界風(fēng)速和提高其輸出性能，進(jìn)一步達(dá)到擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的目的；另一方面，將固定臺(tái)同時(shí)作為鈍體，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，擴(kuò)大作用于采集器的風(fēng)載荷。
文檔編號(hào)F03D9/00GK102843066SQ201210333780
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者賀學(xué)鋒, 高軍 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)