[发明专利]一种复合式微型风力发电机

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）领域，特别涉及到将环境风能转换为电能的MEMS微能源(Power MEMS)技术。

背景技术

同电池等传统能源相比，直接将环境中广泛存在的振动能、流体动能、热能、太阳能等转换为电能的微能源寿命更长，是无线传感网络和微小型自治式微系统迫切需要的一种电源。基于微机电系统（MEMS）技术的将环境物理能量转换为电能的MEMS微能源同时还均有尺寸小、免维护、易集成等诸多优点，已经成为国际上微能源研究的热点之一。

基于风致振动机理的微型风力发电机利用风载荷引起的微结构振动将环境风能转换为微结构振动能，进一步利用电磁感应、压电效应或静电效应将微结构振动能转换为电能，实现对负载或储能器的供电，其具有结构简单、不含转动部件等诸多优点，在环境监测、建筑物健康监测等无线传感网络等方面有广阔应用前景。目前的微型振动式风力发电机只采用电磁感应、压电效应和静电效应中的一种将微结构振动能转换为电能，其转换效率不高，发电机的输出功率小，不能满足无线传感网络节点的压电需求。研究提高MEMS微型风力发电机的性能的方法与结构，对促进MEMS微型风力发电机的应用，进一步促进无线传感网络技术的发展，均有十分重要的意义。

发明内容

为了提高基于风致振动机理的微型风力发电机的将环境风能转换为电能的效率，可以分别从提高环境风能获取效率和提高将微结构的振动能转换为电能的机电转换效率两个方面入手。本发明的目的是提出一种同时利用压电效应和电磁感应原理将微结构的振动能转换为电能的微型风力发电机，以提高其能量转换效率和输出功率。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种复合式微型风力发电机，其同时采用压电效应和电磁感应原理将微结构的振动能转换为电能，其包括微支架、微梁、压电结构、金属线圈、永磁体和底座，所述微梁的单端固定于微支架上，或两端均固定于微支架上，进一步通过微支架固定于底座上，微梁为复合式微型风力发电机的可动部分。

在所述微梁表面的非固定部位设置有压电结构，所述压电结构由压电层和位于压电层上表面和下表面的金属电极构成；在所述微梁表面的非固定部位还设置有金属线圈，并在底座上固定有永磁体，永磁体的Ｓ极或Ｎ极正对金属线圈平面，并在永磁体与线圈平面之间预留间隙；在风载荷作用下，复合式微型风力发电机的可动部分发生振动时，位于微梁上的压电层由于变形而产生的电通过分别位于压电层上、下表面的电极引出；微梁振动同时引起线圈与永磁体之间的相对位置和通过线圈的磁通量发生变化，由电磁感应原理可知，此时将在线圈内产生感生电动势，该感生电动势可以通过线圈两端的电极引出。压电效应产生的电和电磁感应产生的电，引出后直接为某些负载供电，或者经整流后对储能器进行充电。

本发明提出的复合式微型风力发电机由于同时采用了压电效应和电磁感应原理将微结构的振动能转换为电能，因此具有比单独采用压电效应或电磁感应的微型风力发电机更高的机电转换效率。本发明提出的复合式微型风力发电机通过提高机电转换效率，可以进一步达到提高基于风致振动机理的微型风力发电机输出功率的目的，有利于扩大MEMS微型风力发电机的应用范围。

进一步，本发明将金属线圈设置于单端固定的微梁的自由端或两端固定的微梁的中间部分，该位置在发电机可动部分振动时位移和速度的幅度大，有利于在线圈两端产生更大的感生电动势，以将更多的振动能通过电磁感应转换为电能。

另外，本发明通过增加微梁的厚度对金属线圈下面的微梁进行加强，其中表面有金属线圈的微梁的厚度是表面没有金属线圈的微梁的厚度的两倍以上，以确保线圈在该发电机振动部分振动时不被损坏。

本发明提出的复合式微型风力发电机结构简单，便于采用硅微加工技术进行批量化加工，成本低，特别适合于为无线传感网络节点等供电。

附图说明

图1是在硅片上生长二氧化硅示意图

图2是沉积并图形化底部金属电极的示意图

图3是制备压电膜并图形化的示意图

图4是沉积并图形化顶部金属电极的示意图

图5是硅片正面以二氧化硅层定义释放槽的示意图

图6是硅片正面刻蚀释放槽的示意图

图7是形成金属线圈的示意图

图8是从硅片背面以二氧化硅形成刻蚀掩膜的示意图

图9是从硅片背面释放结构的示意图

图10是底座示意图

图11是将永磁体安装于底座上的示意图

图12是基于单端固支微梁的复合式微型风力发电机示意图