[发明专利]一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能量收集装置，尤其是涉及一种基于压电-静电复合式微机械振动能量收集器(芯片式)及其制造方法。

背景技术

随着传感网络功能的扩大，越来越多的微传感系统被置于特殊的环境下使用(比如海底、建筑墙体内部、人体内部、高山或海岛等无人值守的地方等)，这时常规电池的更换变得极为不便，甚至于不可能。因此，体积小、能量密度高、长寿命电源的缺乏，已成为制约微型传感系统实用化的“瓶颈”。为解决这一“瓶颈”问题，科研人员提出了“环境能量收集”的概念，即通过微型能量收集器收集大自然的环境能量(如光能、热能、电磁能，振动能等)并转换为电能存储在电池、电容等储能装置中以满足微器件及微系统的使用需求。环境中振动能量收集技术已经成为研究热点。

目前，振动能量采集技术主要集中于三种方式：电磁式、静电式(也称电容式)和压电式。从过去几年的研究基础来看，电磁式输出的电压较低且难与微电子工艺集成，而静电式和压电式输出电压较高且与微/纳制造工艺相兼容，因此是振动换能的理想方式。静电式能量收集器制造工艺([1]李林.MEMS关于振动能量采集及其器件设计[D].厦门大学硕士学位论文.2008年6月)采用玻璃/SOI/玻璃三层结构。然而，静电式工作时需要额外提供一个初始的启动电压源或电荷源，这为制造和微型化带来了不便。传统的振动能量收集器通常被设计成线性振动结构(因线性振动结构的设计比较容易实现)，其工作频率被固定在一个特别激发的共振频率点上。振动能量收集如何与多样性的环境振动频率相适应以提高能量的收集效率是该技术目前面临的最大问题。

在现有的压电能量收集器中，基本上都是用溶胶凝胶的方法制备压电陶瓷PZT。器件在工作过程中，由于压电陶瓷PZT的制备过程复杂，往往导致器件本身的不稳定性和性能较差等问题。同时，中间层基本上是采用硅片，在制作工艺过程中无法实现腐蚀的自停止功能，而且制作程序复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备过程较简单、可克服传统的溶胶凝胶制备PZT所带来的器件稳定性和性能较差等缺点，同时可实现能量的宽频带和高效率收集的压电-静电复合式微机械振动能量收集器(芯片式)及其制造方法。

所述压电-静电复合式微机械振动能量收集器设有芯片主体和芯片外部电路；

所述芯片主体为三层片状结构，所述芯片主体设有上玻璃片器件、SOI片器件、下玻璃片器件、压电陶瓷片组、压电陶瓷片电极和可变电容极板电极；上玻璃片器件的横截面形状呈倒U字形；SOI片器件的横截面形状呈倒山字形，SOI片器件的中部为质量块，质量块与周壁之间的连接部设有至少2个镂空槽，各镂空槽围绕在质量块周边，并且以质量块为中心呈对称布置；下玻璃片器件的横截面形状呈U字形，上玻璃片器件下端面与SOI片器件上端面通过阳极键合结合，SOI片器件下端面与下玻璃片器件上端面也通过阳极键合结合；上玻璃片器件与SOI片器件构成可变电容，其中上玻璃片器件作为固定式的上电容极板，SOI片器件作为振动式的下电容极板；压电陶瓷片组设有至少2片压电陶瓷片，各压电陶瓷片设于所述质量块与周壁之间的连接部，并围绕在质量块周边，而且以质量块为中心呈对称布置；每片压电陶瓷片上均设压电陶瓷片电极，各压电陶瓷片电极串联后通过导线与芯片外部电路连接；可变电容极板电极的上电极设于上玻璃片器件内表面，可变电容极板电极的下电极设于SOI片器件的质量块上端面，可变电容极板电极通过导线与芯片外部电路连接。

所述至少2个镂空槽，最好是4个L字形镂空槽。

所述压电陶瓷片电极优选Pt，Au电极等。

所述可变电容极板电极优选Pt，Au电极等。

所述芯片外部电路可设有整流电路、滤波电容、第一开关、第二开关和能量储存电容；所述芯片主体的各压电陶瓷片电极串联后形成压电交流电源，该压电交流电源输出端接整流电路输入端，整流电路输出端接滤波电容输入端，滤波电容输出端经第一开关接可变电容极板电极输入端，可变电容极板电极的输出端经第二开关接能量储存电容输入端，能量储存电容输出端外接负载。所述整流电路优选桥式整流电路。所述第一开关和第二开关均优选二极管开关。