[发明专利]一种压电-电磁复合式振动能量收集器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种压电‑电磁复合式振动能量收集器及其制备方法，该能量收集器包括相互堆叠的衬底和背板；所述衬底经刻蚀形成悬臂梁结构，其中，所述衬底的下表面形成有凹槽、所述凹槽上方为悬臂梁结构，所述凹槽和所述背板形成腔体，所述腔体内设有永磁体；所述悬臂梁结构的上表面设置有压电层，在所述衬底上表面的除了所述悬臂梁结构以外的周边区域设置有第一电感线圈层，所述压电层与所述第一电感线圈层相绝缘；所述背板的下表面设置有第二电感线圈层。通过本发明的制备方法所制备的压电‑电磁复合式振动能量收集器，具有较高的能量收集效率、高的输出功率和输出功率密度(W/cm²)；改善了能量收集器的可靠性和使用寿命。

【技术领域】

本发明涉及一种收集环境中振动能量的能量收集器及其制备方法，尤其涉及一种基于压电效应和电磁感应原理的复合式谐振型振动能量收集器及其制备方法。

【背景技术】

能量收集器可拾取环境能量(如辐射、温差、振动等)并转化为电能为系统供电。与传统的电化学电池比较，能量收集器具有经济、环保且理论上无寿命限制等优点，因此符合能源的未来发展趋势，非常适合于为物联网、可穿戴设备等新兴领域提供电能。太阳能、电磁辐射、温差、振动等都是可拾取的环境能源，与其它环境能源相比，振动是一种分布广泛的能量源，因此，振动能量收集器具有广阔的发展和应用前景。

根据不同的工作原理，振动能量收集器包括静电式、压电式及电磁式等几种类型，其中，静电式能量收集器需要额外辅助电源才能将动能转换为电能，其结构和操作复杂，因此，基于压电效应和法拉第电磁感应原理的压电式和电磁式振动能量收集器受到人们的广泛关注。压电式和电磁式能量收集器各有优缺点：压电式能量收集器输出电压高，但输出电流低；电磁式能量收集器恰与之相反。因此，将压电式和电磁式能量收集器相复合，充分发挥两者的优势，是提高能量收集器输出功率的有效方式。目前，压电-电磁复合式振动能量收集器通常为谐振型，即只有当收集器中拾振结构(如悬臂梁、薄膜等)的固有频率与外界环境中的振动频率接近或一致时，收集器才能高效地收集环境中的振动能量。

在相关技术中的压电-电磁复合式振动能量收集器及其制备方法公开了-种压电-电磁复合式振动能量收集器，它采用非谐振式的拾振结构(可动永磁体)，在振动环境中，它的拾振结构可在附着有电感线圈和压电材料的腔体内自由运动，无论振动频率和振动方向如何变化，该能量收集器都具有高的收集效率。但是，对于该能量收集器，因为腔体内设置了电感线圈结构，所以腔体表面非常不平整，这导致可动永磁体在腔体表面运动时会产生的很大摩擦并导致可动永磁体的动能通过摩擦生热而浪费掉(而非转化为电能)，这降低了能量收集器的收集效率；此外，当可动永磁体在腔体表面运动时，会对设在腔体表面的绝缘层以及下面的电感线圈(甚至压电材料)造成磨损，因此，该能量收集器的可靠性和使用寿命均有待改善；另外，该器件中的电感线圈和压电层采用堆叠的方式设置，为了降低电感线圈的寄生电阻，电感线圈的厚度通常达微米量级，如此厚的电感线圈与压电层之间通常存在着大的残余应力或应力失配，进而引起压电层的损伤甚至脱落，造成器件的机械强度和可靠性能下降；最后，该能量收集器需要在凹槽这种三维结构表面进行电感线圈和压电层的加工和制备，加工难度较大，制备工艺较为复杂，并降低了器件的成品率，提升了器件的制备成本。

【发明内容】

基于上述问题，本发明提供了一种压电-电磁复合式振动能量收集器，其包括：相互堆叠的衬底和背板；所述衬底经刻蚀形成悬臂梁结构，其中，所述衬底的下表面形成有凹槽、所述凹槽上方为悬臂梁结构，所述凹槽和所述背板形成腔体，所述腔体内设有永磁体；

所述悬臂梁结构的上表面设置有压电层，在所述衬底上表面的除了所述悬臂梁结构以外的周边区域设置有第一电感线圈层，所述压电层与所述第一电感线圈层相绝缘；所述背板的下表面设置有第二电感线圈层。

优选地，所述压电层包括压电材料层以及形成在该压电材料层的上、下表面的上、下电极。