CN101924451A

CN101924451A - 易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器

Info

Publication number: CN101924451A
Application number: CN 201010248136
Authority: CN
Inventors: 王佩红; 刘慧婷; 杨卓青
Original assignee: Anhui University
Current assignee: Anhui University
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: CN101924451B

Abstract

本发明公开了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：衬底上表面附着有线圈，线圈的首尾两端分别与二个电极相连接，衬底上表面覆盖有绝缘层，绝缘层将线圈包覆在其中，二个电极位于绝缘层之上；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，弹簧平台位于所述线圈的正上方，并与线圈之间有间隙，弹簧平台上固定连接有永磁体。本发明实现了采集器的高度集成制造，同时采用微模具复制得到的永磁体也比电镀或溅射的永磁材料具有更高的厚度和磁性能，可以更有效地将振动能转化为电能。

Description

易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器

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***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***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***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***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***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***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***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***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。

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：所述绝缘层为聚酰亚胺、PMMA或SU-8胶柔性不导电聚合物层，厚度为5～200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：所述的多个支撑座在绝缘层上表面分别通过电镀铜或镍的方式形成，各个支撑座的面积分别为(50～100)×(100～500)平方微米，高度分别为50～1000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：所述的弹簧平台为由通过电镀镍或铜等金属形成的四个或多个螺旋型弹性臂和中间的平台构成，弹簧片的厚度分别为5～50微米，宽度分别为10～200微米，弹簧平台的中心面积为(200～2000)×(200～2000)平方微米。

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：所述的永磁体是通过将永磁粉与粘结剂的混合体压制在图形化结构凹坑内，并集成固定在所述的弹簧平台上，可以是单个的立方体，或者为阵列结构，当永磁体为单个立方体时，其面积为(200～2000)×(200～2000)平方微米，厚度为10～800微米；当为永磁体为3×3阵列结构时，各个部分的面积大小为(10～120)×(120～300)平方微米，厚度为10～800微米，行间距为10～30微米，列间距为10～30微米。

本发明的有益效果：

本发明的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；实现了采集器的高度集成制造，同时采用微模具复制得到的永磁体也比电镀或溅射的永磁材料具有更高的厚度和磁性能，可以更有效地将振动能转化为电能。

附图说明

图1为本发明结构示意图，其中(a)为立体结构示意图，(b)为侧视图。

图2为具有三层线圈的易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器平面结构示意图。

图3为带有3×3阵列永磁体的易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器平面结构示意图。

图4为带有3×3阵列永磁***于线圈下方的易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器平面结构示意图。

具体实施方式

参见图1，一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1，衬底1上表面附着有线圈3，线圈3的首尾两端分别与二个电极4相连接，衬底1上表面覆盖有绝缘层2，绝缘层2将线圈包覆在其中，二个电极位于绝缘层之上；绝缘层2的上表面附着有多个支撑座6，多个支撑座6上架装有弹簧平台5，弹簧平台5位于线圈3的正上方，并与线圈3之间有间隙，弹簧平台5上固定连接有永磁体7。

衬底1为石英或玻璃。

线圈3采用在衬底上表面通过电镀铜或金的方式形成，线圈3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。

二个电极4的面积分别为(400～500)×(600～800)平方微米，厚度分别为10～30微米。

绝缘层2为聚酰亚胺、PMMA或SU-8胶柔性不导电聚合物层，厚度为5～200微米。

多个支撑座6在绝缘层上表面分别通过电镀铜或镍的方式形成，各个支撑座的面积分别为(50～100)×(100～500)平方微米，高度分别为50～1000微米。

弹簧平台5为通过电镀铜或镍等金属的方式形成的悬空弹簧结构，弹簧片的厚度分别为5～50微米，宽度分别为10～200微米，弹簧平台5的中心面积为(200～2000)×(200～2000)平方微米。

永磁体7是通过将永磁粉与粘结剂的混合体压制在图形化结构凹坑内，并集成固定在弹簧平台上，可以是单个的立方体，或者为阵列结构，当永磁体7为单个立方体时，其面积为(200～2000)×(200～2000)平方微米，厚度为10～800微米；当为永磁体7为3×3阵列结构时，各个部分的面积大小为(10～120)×(120～300)平方微米，厚度为10～800微米，行间距为10～30微米，列间距为10～30微米。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明；本发明的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器

参见图1(a)，本实施例易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器包括：衬底1、绝缘层2、线圈3、电极4、弹簧平台5、支撑座6和永磁体7；绝缘层2直接与衬底1相连，位于衬底1上，线圈3同样直接与衬底1相连，且位于衬底1上，并被绝缘层2包裹着，绝缘层2的厚度基本与线圈3一致，为2～20微米，电极4的两端分别与线圈3的两个端点相连，用于将线圈3中感应而生的电动势引出到外电路，电极4与绝缘层2相连，位于绝缘层2上，面积为(400～500)×(600～800)平方微米，厚度为10～30微米，整个弹簧平台5由支撑座6悬空在绝缘层2上方约50～1000微米的距离，弹簧厚度为5～50微米，宽度为10～200微米，支撑座6的面积为(50～100)×(100～500)平方微米，高度为50～1000微米，永磁体7直接与弹簧平台5相连，位于弹簧平台5中心位置上方，永磁体7的面积大小为(200～2000)×(200～2000)平方微米，厚度为10～800微米，弹簧平台5中心平板面积为(200～2000)×(200～2000)平方微米。

参见图1(b)，可以清楚地看到绝缘层2直接与衬底1相连，位于衬底1上，线圈3同样直接与衬底1相连，且位于衬底1上，并被绝缘层2包裹着，绝缘层2的厚度基本与线圈3一致，电极4的两端分别与线圈3的两个端点相连，用于将线圈3中感应而生的电动势引出到外电路，电极4与绝缘层2相连，位于绝缘层2上，整个弹簧平台5由支撑座6悬空在绝缘层2上方，永磁体7直接与弹簧平台5相连，位于弹簧平台5中心位置上方。

将外电路的两极分别接于上述易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器电极4的两端，有外界的上下振动沿与衬底1垂直方向输入该***器件时，如果该振动的频率达到由支座6悬空的弹簧平台5和永磁体7所组成的拾振***共振频率时，则由弹簧平台5悬空的永磁体7也将随之发生共振，导致通过其下方由绝缘层2包裹的线圈3内磁通量迅速变化，根据法拉第电磁感应定律可知，在线圈3的两电极4之间即产生感应电动势，从而将外界环境的振动能转化为电能，实现能量采集的目的。本发明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7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，实现了整个器件的高度集成制造，同时采用微模具复制得到的永磁体也比电镀或溅射的永磁材料具有更高的厚度和磁性能，实现了更高的采集与转化效率。

实施例2：具有三层线圈的易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器。

参见图2，该微型电磁式振动能量采集器采用了三层线圈3的叠层结构，且此三层结构互不干扰，在垂直方向上叠加而成，全部包裹在绝缘层2之内，该能量采集器的尺寸与实施例1中具有一层线圈结构的能量采集器一致，并且除了线圈层数之外，其余部件的形状、尺寸与实施例1一致。

实施例3：带有阵列永磁体的易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器。

参见图3，该微型电磁式振动能量采集器的永磁体7由较小的结构阵列而成，阵列结构为3×3的形式，每一部分的面积大小为(10～120)×(120～300)平方微米，厚度为10～800微米，行间距为10～30微米，列间距为10～30微米，该微型振动能量采集器的其余特征与实施例1类似。

实施例4：阵列永磁***于线圈下方的易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器。

参见图4，该微型电磁式振动能量采集器的永磁体7由较小的结构阵列而成，位于衬底1上，直接与衬底1相连，阵列结构为3×3的形式，每一部分的面积大小为(10～120)×(120～300)平方微米，厚度为10～800微米，行间距为10～30微米，列间距为10～30微米，线圈3电镀在弹簧平台5上方，与弹簧平台5相连，距离下方的阵列永磁体7为50～1000微米，整个线圈3被绝缘层2包裹起来，同样直接位于弹簧平台5上，且与弹簧平台5相连，该微型振动能量采集器的其余特征与实施例1类似。

Claims

1.一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。

2.根据权利要求1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。

3.根据权利要求1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。

4.根据权利要求1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。

5.根据权利要求1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：所述绝缘层为聚酰亚胺、PMMA或SU-8胶柔性不导电聚合物层，厚度为5～200微米。

6.根据权利要求1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：所述的多个支撑座在绝缘层上表面分别通过电镀铜或镍的方式形成，各个支撑座的面积分别为(50～100)×(100～500)平方微米，高度分别为50～1000微米。

7.根据权利要求1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：所述的弹簧平台为由通过电镀镍或铜等金属形成的四个或多个螺旋型弹性臂和中间的平台构成，弹簧片的厚度分别为5～50微米，弹性臂宽度分别为10～200微米，弹簧平台的中心面积为(200～2000)×(200～2000)平方微米。

8.根据权利要求1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：所述的永磁体是通过将永磁粉与粘结剂的混合体压制在图形化结构凹坑内，并集成制造在所述的弹簧平台上，可以是单个的立方体，或者为阵列结构，当永磁体为单个立方体时，其面积为(200～2000)×(200～2000)平方微米，厚度为10～800微米；当为永磁体为3×3阵列结构时，各个部分的面积大小为(10～120)×(120～300)平方微米，厚度为10～800微米，行间距为10～30微米，列间距为10～30微米。