[发明专利]易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及振动能量采集器领域，具体涉及一种易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器。

背景技术

半导体制造技术的不断进步使得电子器件和产品向着微型化方向发展，蓝牙技术和低功耗通讯标准(如Zigbee和IEEE802.15.4)的出现很大程度上推动了微型无线传感网络和通讯节点的研究，微机电系统由于具有能耗低、体积小、功能大、可批量生产等特点也正在迅速发展。但是，与无线传感产品和微机电系统器件的体积不断减小相比，供电问题正成为它们发展的一个很大障碍。此外，新型微纳器件、纳米结构光电子器件，以及用于防病治病的纳米药物输运和定向治疗等技术的不断发展，其各自的供电问题正成为困扰其广泛应用的主要障碍，原因是目前这些微纳系统的供电主要依靠电池。为避免频繁地更换电池，这就要求电池的工作寿命不断延长，而在一些特殊的微纳产品或装置中，特别是在植入式系统中，如心脏起搏器、植入式传感器等，更换电池或充电更是困难。替代电池作为微纳系统能源的技术途径主要是从微器件的工作环境中采集能量，然后将其转换成电能。由于振动在工业、建筑物甚至生物体中(如肢体运动、桥梁的振动、心脏跳动等)时刻存在，所以采集环境振动的微机械电磁式能量采集器逐步受到了国内外同行的广泛关注。

经对现有技术文献的检索发现，E.Koukharenko等在《MicrosystemTechnologies》(《微系统技术》，2006年12期1071-1077页)发表了题为“Microelectromechanical systems vibration powered electromagneticgenerator for wireless sensor appl ications”(“适用于无线传感器的采集振动能量的电磁式微机电系统发电机”)的论文，提出了一种基于硅衬底的三明治型的结构设计。该结构分为三层，上下两层为内嵌有永磁体的派热克斯玻璃，中间层为可以在水平面内左右摆动的硅平台，硅平台通过一硅悬臂梁与硅外框相连。上下永磁体磁极相反，从而在上下层之间提供匀强磁场。金属线圈嵌入到硅平台中央，经过硅悬臂梁上的沟道与外界电路连接。利用键合技术把上中下三层合成为一振动能量采集器。当外界振动作用到硅平台时，硅平台在其所在平面内发生摆动，导致线圈切割磁力线，产生感应电流和感应电动势，从而为与线圈相连的其他无线产品和微机电系统器件供电。然而，该设计用深反应离子刻蚀(DRIE)方法制作硅悬臂梁，制作成本较高，更重要的是永磁体需要手工粘连到派热克斯玻璃上，装配结构导致器件体积较大、不易于集成制造。此外，袁泉等人于2009年3月申请的专利“微型电磁式能量采集器及制备方法”(申请号200910080541.9)采用电镀永磁体的方法，在一定程度上改善了手工粘结永磁体带来的不便，但是，电镀永磁材料在微加工中是极为困难的，不仅电镀条件难于控制，而且其厚度很薄，以致产生的磁场很微弱、磁学性能较差，不能将采集到的振动能有效地转化为电能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器，其中永磁体采用微模具复制的集成方法加工，位于振动弹簧平台上，线圈则采用电镀金属铜或金的方法制作，并被柔性聚合物包裹起来，直接位于衬底上，整个器件全部采用基于非硅微加工的方法集成制作，微模具复制的永磁体通过将永磁粉与粘结聚合物混合压制而成，与器件整体工艺兼容。

本发明的技术方案如下：

一种易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器，包括有衬底、绝缘层、线圈、电极、弹簧平台、支撑座和永磁体，其特征在于：所述衬底上表面附着有线圈，所述线圈的首尾两端分别与二个电极相连接，所述衬底上表面覆盖有绝缘层，所述绝缘层将所述的线圈包覆在其中，所述二个电极位于绝缘层之上；所述绝缘层的上表面附着有多个支撑座，多个支撑座上架装有弹簧平台，所述的弹簧平台位于所述线圈的正上方，并与所述的线圈之间有间隙，所述弹簧平台上固定连接有永磁体。

所述的易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器，其特征在于：所述的衬底为石英或玻璃。

所述的易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器，其特征在于：所述的线圈采用在衬底上表面通过电镀铜或金的方式形成，所述的线圈为单层导体环绕或首尾相互连接的多层导体环绕结构，其中单层线圈的厚度为2～20微米。

所述的易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器，其特征在于：所述二个电极采用在绝缘层上通过电镀铜或金的方式形成，其面积分别为(400～500)×(600～800)平方微米，厚度分别为10～30微米。