[发明专利]一种声栅-反射面压电超声能量收集器及其制备方法

说明书

本发明公开一种声栅‑反射面压电超声能量收集器及其制备方法，所述能量收集器包括压电声栅、支撑结构和压电反射层，所述压电声栅通过支撑结构与反射面相连；所述压电声栅为多层平面结构，所述多层平面上刻蚀有多条相互平行的缝隙；所述压电反射层从上往下依次包括：第一金属电极、第一压电材料层和衬底；所述压电声栅从上往下依次包括：第二金属电极、第二压电材料层、结构反射层、第三压电材料层和第三金属电极；本发明通过压电反射层和压电声栅对于超声波的相互反射/吸收作用，实现了超声能量收集利用效率的最大化；相比于传统的超声压电能量收集器，本发明具有收集效率高、器件稳定性强等优点。

技术领域

本发明属于能量收集器技术领域，具体属于一种声栅-反射面压电超声能量收集器及其制备方法。

背景技术

超声压电换能技术是一种利用压电材料的压电效应实现机械能-电能之间相互转换的技术。利用该技术可以制作小型超声波发生器，以及超声能量收集器。超声能量收集器通过接收超声波激励的能量实现声能-电能的转换，可用于低功耗设备和传感器的正常运作。

最简单的压电式超声能量收集器主要由附有压电材料的平面构成，这种结构能够实现超声波能量收集，不过会反射大部分超声波，收集效率较低，为了提高超声能量收集效率，人们通过改变收集面的结构提高整体的吸收效率；例如申请号为CN201410044942.X的一篇专利公开了一种利用声音能量的发电机和声音传感器，其利用倾斜反射面形成声谐振腔，使得超声波在该声谐振腔内来回反射；而非均匀厚度宽带超声能量收集器(AppliedPhysics Letters，112，043903，2018)则利用类似凹面镜的压电材料结构提高吸收效率，不过以上结构均无法通过平面工艺实现，且超声波的利用效率较低；目前传感器设备逐渐向微型化、低功耗、智能化发展，因此需要一种微型的能量转换技术实现传感器设备的稳定供电，基于微机电系统的压电超声换能技术则是其中一条较为实用的解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种结构简单、吸收效率高，且能通过平面工艺实现的声栅-反射面压电超声能量收集器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种声栅-反射面压电超声能量收集器，包括压电声栅、支撑结构和压电反射层，所述压电声栅通过支撑结构与反射面相连；所述压电声栅与压电反射层之间设有反射空腔，用于供超声波在所述压电声栅与压电反射层之间来回反射吸收；所述压电声栅为多层平面结构，所述多层平面上刻蚀有多条相互平行的缝隙。

具体地，所述压电反射层从上往下依次包括：第一金属电极、第一压电材料层和衬底；

进一步地，所述第一压电材料层和第一金属电极构成第一能量收集结构，所述第一能量收集结构与衬底组成压电反射层，用于吸收/反射来自所述压电反射层上方的超声波激励；

进一步地，所述衬底为高掺杂单晶硅衬底，用于吸收/反射来自衬底上方的超声波激励，还用做所述能量收集器整体结构的衬底以及第一压电材料层的接地电极。

具体地，所述多层平面结构从上往下依次包括：第二金属电极、第二压电材料层、结构反射层、第三压电材料层和第三金属电极。

进一步地，所述第二压电材料层和第二金属电极构成第二能量收集结构，所述第三压电材料层和第三金属电极构成第三能量收集结构，所述第二能量收集结构、第三能量收集结构与结构反射层同时吸收/反射来自结构反射层下方和结构反射层上方环境的超声波激励；

进一步地，所述结构反射层用于吸收/反射来自外界环境以及所述压电反射层反射回来的超声波，还用作所述压电声栅的固定结构以及第二压电材料层和第三压电材料层的接地电极；

所述结构反射层的材质为铜、铝、镍或者高掺杂多晶硅。

具体地，所述能量收集器的输出电极包括：第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极；