CN103107739A - 基于mems的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，属于微机电***领域。其包括：边框1、2个以上的MEMS电磁-压电复合式俘能单元11、管壳20、盖板2、第一玻璃基板17和第二玻璃基板18。MEMS电磁-压电复合式俘能单元11包括：磁铁3、第一线圈4、质量块5、第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14、第一上电极层7、第二上电极层8、下电极层9、PZT压电材料层10、绝缘层15、第二线圈16。本发明提出的俘能器与已有MEMS振动型俘能器相比较，具有以下优点：①将线圈材料、压电材料的制备与MEMS工艺实现兼容设计，且成本较低。②具有宽频带俘能效果，并同时能输出较大电压和较大电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS（Micro-electro-mechanical Systems，微机电***）的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，属于微机电***领域。
背景技术
近年来，随着低功耗器件，特别是适用于无线传感网络和微惯性***中的低功耗MEMS传感器和ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）芯片的发展，使得从工作环境中直接俘获能量以供给器件工作成为可能。
传统方式中主要利用化学电池给器件供电，但这种供能方式存在比较突出的问题：（1）化学电池的寿命有限，间隔一段时间需要更换或充电，对于在偏远地区或在特殊环境中工作（如密闭空间中）的器件来说，更换电池、给电池充电成本太高或不可行；（2）化学电池对环境的污染较大，同时，处理废弃电池将导致成本进一步增加；（3）化学电池的体积较大，无法在工作空间较小的***中使用；（4）化学电池无法实现与MEMS器件集成，因而进一步限制了其在MEMS领域中的应用。考虑到MEMS器件的工作环境及对供能方式的要求，如能长时间工作、占用工作空间小及可与MEMS工艺兼容等，研究开发可替代化学电池的供能方式已成为近年来的研究热点。
目前国内外已研究出多种替代化学电池的微能源，主要有振动型俘能器、太阳能电池、温差电池等供能方式，但其中的太阳能电池与温差电池对工作环境中的光、温度等有较苛刻的要求，且不能在密闭环境中工作，这些因素在很大程度上限制了它们的应用。而振动型俘能器则是将振动能转化为电能的一种俘获能量器件，几乎所有的器件、***都工作在一定的振动环境中，因此，振动型俘能器的应用范围非常广阔。目前，研究开发出的振动型俘能器主要包括基于MEMS技术的振动型俘能器和基于传统加工技术的微小型振动俘能器，其中，由于MEMS俘能器的体积小，且能实现与其他MEMS传感器的集成，因此，可应用于无线传感网络和微惯性***中为MEMS器件供能。
目前已研究出的MEMS振动型俘能器主要包括三种类型，分别是基于压电效应的压电式俘能器、基于电磁感应定律的电磁式俘能器及基于电容原理的静电式俘能器。由于具有体积小、能长时间工作、可实现无源供能，且可与MEMS工艺相集成等优点，MEMS振动型俘能器已成为了近年来MEMS领域及微能源领域的研究热点。但目前已研究出的MEMS俘能器还存在一些限制其应用的因素，比如带宽较窄（通常为几Hz到几十Hz），同时，三种类型的俘能器都有其各自不同的特点，如压电式俘能器的输出电压较大，但由于内阻较大导致输出电流较小，通常只有几微安到几十微安；电磁式俘能器的输出电流较大，但输出电压只有几十到几百毫伏，无法满足常用器件的供电要求；静电式俘能器则需要一定的初始电压才能正常工作，因而无法实现无源供能。此外，由于工作环境中的振动频率通常分布在一定的频带范围内，因此，需要拓宽MEMS俘能器的工作带宽，以覆盖整个工作环境的振动频率，提高俘能效率。所以，针对目前传统供能方式及已研究出的MEMS俘能器所存在的问题，研究开发一种同时具有宽频带、较大输出电压和较大输出电流的MEMS振动型俘能器成为必要。
发明内容
本发明的目的是为了解决已有MEMS振动型俘能器存在的不足，提出一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，其具有宽频带俘能效果并同时能输出较大电压和较大电流。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，包括：边框（1）、2个以上的MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）、管壳（20）、盖板（2）、第一玻璃基板（17）和第二玻璃基板（18）。
所述第一玻璃基板（17）固定于盖板（2）的下表面，第一玻璃基板（17）上布置引线及焊盘。所述焊盘的作用是实现与外接负载的电气连接。
所述盖板（2）盖在管壳（20）的上面，边框（1）固定于管壳（20）的内部，所述2个以上的MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）固定于边框（1）内，并且MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）与管壳（20）的底面不接触。管壳（20）和盖板（2）的作用是封装边框（1）、全部MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）、第一玻璃基板及第二玻璃基板，对边框（1）、MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）、第一玻璃基板（17）及第二玻璃基板（18）起保护作用。
所述边框（1）为长方形或正方形边框，其作用是：①固定并支撑全部MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）；②布置引线及焊盘。所述焊盘的作用是实现与外接负载的电气连接。
所述2个以上的MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）位于同一平面并且等间距排布于边框（1）的内部。
所述第二玻璃基板（18）固定于在管壳（20）内，位于边框（1）及MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的下方，第二玻璃基板（18）与MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）不接触。第二玻璃基板（18）上布置引线及焊盘。
所述2个以上的MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）可以单独工作，也可以将部分或全部的MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）串联或并联后一起工作。当单个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）能够满足频带需要时，MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）可单独工作；当需要提供高输出电压时，将部分或全部的MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）做串联连接；当需要提供高输出电流时，将部分或全部的MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）做并联连接。
所述MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）包括：磁铁（3）、第一线圈（4）、质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）、第一上电极层（7）、第二上电极层（8）、下电极层（9）、PZT（锆钛酸铅）压电材料层（10）、绝缘层（15）、第二线圈（16）。
所述质量块（5）为正方体或长方体。
所述第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）以质量块（5）为中心，对称分布在质量块（5）的两侧，质量块（5）每侧的两根结构梁平行排布，并且每根结构梁的一端与边框（1）固定连接，另一端与质量块（5）固定连接；第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）的形状和尺寸相同。质量块（5）的上表面与第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的上表面位于同一水平面。
所述质量块（5）和第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的作用是：①在确定了质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）以及磁铁（3）的形状和尺寸以后，即确定了所述MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的谐振频率和响应频带；②质量块（5）支撑磁铁（3），当有外界振动信号时，质量块（5）和磁铁（3）进行振动。
所述第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和质量块（5）的上表面上是绝缘层（15）；第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）上的绝缘层（15）的上表面上是下电极层（9）；下电极层（9）通过引线与边框（1）上焊盘连接。下电极层（9）的上表面上是PZT压电材料层（10）；PZT压电材料层（10）的上表面上是第一上电极层（7）和第二上电极层（8），第一上电极层（7）和第二上电极层（8）之间有一定间隙。
所述PZT压电材料层（10）上有焊盘。
所述第二上电极层（8）上有焊盘。
所述第一上电极层（7）通过引线与PZT压电材料层（10）上的焊盘连接或与边框（1）上的焊盘连接。
所述第二上电极层（8）通过引线与其自身上的焊盘或边框（1）上的焊盘连接。
所述PZT压电材料层（10）的作用是：当质量块（5）和磁铁（3）振动时，引起第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和PZT压电材料层（10）弯曲变形，导致PZT压电材料层（10）中产生应力、应变，进而在PZT压电材料层（10）的上表面和下表面产生电荷。
所述磁铁（3）固定于质量块（5）的上表面，其作用是：①提供磁场；②配合质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）调节所述MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的谐振频率和响应频带。
所述第一线圈（4）位于磁铁（3）的上方，并固定于第一玻璃基板（17）的下表面，当磁铁（3）相对于第一线圈（4）振动时，第一线圈（4）中的磁通量发生变化，在第一线圈（4）中产生感应电动势，输出能量。第一线圈（4）为平面线圈。第一线圈（4）和磁铁（3）不接触。
所述第二线圈（16）位于质量块（5）的下方，并固定于第二玻璃基板（18）的上表面，当磁铁（3）相对于第二线圈（16）振动时，第二线圈（16）中的磁通量发生变化时，在第二线圈（16）中产生感应电动势，输出能量。第二线圈（16）为平面线圈。第二线圈（16）和质量块（5）不接触。
所述第一上电极层（7）和第二上电极层（8）的作用是收集PZT压电材料层（10）上表面产生的电荷。
所述下电极层（9）的作用是收集PZT压电材料层（10）下表面产生的电荷。
所述MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的作用是：①当有外界振动作用时，通过质量块（5）和磁铁（3）产生惯性力作用到第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）上，使第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）及PZT压电材料层（10）发生弯曲变形，根据压电效应，在PZT压电材料层（10）上、下表面产生电荷，实现俘能作用；②在外界振动作用下，质量块（5）和磁铁（3）相对于第一线圈（4）和第二线圈（16）发生振动，第一线圈（4）和第二线圈（16）中的磁通量发生变化，进而产生电动势，实现俘能作用。
在制备基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器的过程中，通过优化确定每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）中的质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）以及磁铁（3）的形状和尺寸，使每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）分别具有不同的谐振频率，并且每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的频响之间有交集，将多个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）组合后，即可实现宽频带俘能效果。
当所述的基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器工作在设计的较宽频率范围内时，不同频率的振动总能激发一个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）工作，达到振动俘能的效果，当工作频率等于MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的谐振频率时，俘能效果最佳。
当外界振动引起质量块（5）和磁铁（3）相对于第一线圈（4）和第二线圈（16）发生振动时，根据压电效应和电磁感应定律，第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）上的PZT压电材料层（10）以及第一线圈（4）、第二线圈（16）同时输出电流、电压，并且PZT压电材料层（10）能输出较大的电压，而第一线圈（4）和第二线圈（16）则能产生较大的电流，即通过同一MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）可同时输出高电压和高电流，实现电磁-压电复合式俘能作用。当PZT压电材料层（10）的压电系数越大、厚度越厚、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的弯曲变形越大时，输出的电压越大；当第一线圈（4）和第二线圈（16）的匝数越多、电阻越小、磁铁（3）的剩余磁感应强度越强、第一线圈（4）与磁铁（3）的间距越小、第二线圈（16）与质量块（5）的间距越小时，输出的电流越大。同时，当负载电阻和MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的内阻相等时，MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）输出的功率最大。
所述基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器的制备工艺过程具体为：
步骤0：根据应用需要的频带范围，设计MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的工作频带，以及MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的数量N，N≥2；并确定每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）中质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）以及磁铁（3）的位置、形状和尺寸；根据应用需要的电压、电流，设计MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）中PZT压电材料层（10）的厚度，第一线圈（4）和第二线圈（16）的厚度、线宽及线间距；同时设计边框（1）的尺寸。
步骤1：在步骤0操作的基础上，设计、制作掩膜版，具体为：在一块完整的硅片上确定出边框（1）的位置、N个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的位置以及每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）中质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）的位置；然后对硅片进行抛光，并对抛光的硅片表面通过氧化形成二氧化硅层；
步骤2：在经过步骤1处理后得到的硅片的上表面上通过溅射工艺依次制备绝缘层（15）和下电极层（9）；
步骤3：在下电极层（9）的上表面通过溶胶-凝胶法制备PZT压电材料层（10）；
步骤4：对PZT压电材料层进行图形化处理，保留步骤1所设计的N个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）上的PZT压电材料层（10），将硅片上其余部分的PZT压电材料层（10）去除掉，并在保留下来的PZT压电材料层（10）上加工焊盘。
步骤5：在步骤4操作的基础上，保留PZT压电材料层（10）下面的下电极层（9），去除掉硅片上其余部分的下电极层（9）；
步骤6：在步骤5操作的基础上，保留N个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和质量块（5）上面的绝缘层（15），去除掉硅片上其余部分的绝缘层（15）；
步骤7：通过溅射工艺，在每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的每根结构梁上PZT压电材料层的上表面分别制备第一上电极层（7）和第二上电极层（8）；在第二上电极层（8）上加工焊盘。
步骤8：保留硅片上的边框（1）、N个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和质量块（5）的部分，去除掉硅片的其它部分，并在边框（1）上加工焊盘。
步骤9：在每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的质量块（5）上的绝缘层（15）的上表面分别固定一个磁铁（3）；
步骤10：通过电镀工艺分别在第一玻璃基板（17）上制备N个第一线圈（4）、在第二玻璃基板（18）上制备N个第二线圈（16）；其中，N个第一线圈（4）分别位于N个磁铁（3）的上方，N个第二线圈（16）分别位于N个质量块（5）的下方；并分别在第一玻璃基板（17）和第二玻璃基板（18）上加工焊盘。
步骤11：将第二玻璃基板（18）固定于管壳（20）中；
步骤12：将边框（1）和N个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）固定于管壳（20）中，位于第二玻璃基板（18）的上面，并使N个第二线圈（16）分别位于N个质量块（5）的下方，第二线圈（16）和质量块（5）不接触。
步骤13：将第一玻璃基板（17）粘附于盖板（2）的下表面；
步骤14：将盖板（2）固定于管壳（20）的上方，并使第一玻璃基板（17）的下表面粘附的N块第一线圈（4）分别处于N个磁铁（3）的上方，第一线圈（4）和磁铁（3）不接触。至此得到所述基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器。
有益效果
本发明提出的基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器与已有的MEMS振动型俘能器相比较，具有以下优点：
①所述MEMS电磁-压电复合式宽频俘能器将线圈材料、压电材料的制备与MEMS工艺实现兼容设计，在同一振动单元中实现能量的双转化模式且成本较低。
②所述基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器具有宽频带俘能效果，并同时能输出较大电压和较大电流。
附图说明
图1为本发明具体实施例中的封装管壳和盖板结构示意图；
其中，2—盖板；17—第一玻璃基板；20—管壳。
图2为本发明具体实施例中5个MEMS电磁-压电复合式俘能单元的结构示意图；
1—边框；3—磁铁；7—第一上电极层；8—第二上电极层；11—MEMS电磁-压电复合式俘能单元。
图3为图2的A-A′剖面示意图；
其中，5—质量块。
图4为本发明具体实施例中5个MEMS电磁-压电复合式俘能单元排布示意图；
图5为本发明具体实施例中第二线圈和第二玻璃基板上视图；
其中，16—第二线圈；18—第二玻璃基板。
图6为本发明具体实施例中MEMS电磁-压电复合式俘能单元的上视图；
图7为本发明具体实施例中MEMS电磁-压电复合式俘能单元的底视图；
其中，6—第一结构梁；12—第二结构梁；13—第三结构梁；14—第四结构梁；
图8为图6的B-B′剖面示意图以及该剖面对应第一玻璃基板和第二玻璃基板的刨面图。
其中，4—第一线圈；9—下电极层；10—PZT压电材料层；14—第四结构梁；15—绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明技术方案做详细描述。
基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，包括：边框1、5个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11、管壳20、盖板2、第一玻璃基板17和第二玻璃基板18。
所述第一玻璃基板17固定于盖板2的下表面，第一玻璃基板17上布置引线及焊盘。所述焊盘的作用是实现与外接负载的电气连接。
所述盖板2盖在管壳20的上面，如图1所示。边框1固定于管壳20的内部，MEMS电磁-压电复合式俘能单元11固定于边框1内。管壳20和盖板2的作用是封装边框1、全部MEMS电磁-压电复合式俘能单元11、第一玻璃基板及第二玻璃基板，对边框1、MEMS电磁-压电复合式俘能单元11、第一玻璃基板及第二玻璃基板起保护作用。
所述边框1的作用是：①固定并支撑全部MEMS电磁-压电复合式俘能单元11；②布置引线及焊盘。
所述第二玻璃基板18固定于在管壳20内，位于边框1及全部MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的下方，第二玻璃基板18与MEMS电磁-压电复合式俘能单元11之间有一定间隙。第二玻璃基板18上布置引线及焊盘。
所述5个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11位于同一平面并且等间距排布于边框1的内部，如图4所示。5个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11单独工作。
所述MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的结构如图2、图3、图6、图7、图8所示，包括：磁铁3、第一线圈4、质量块5、第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14、第一上电极层7、第二上电极层8、下电极层9、PZT压电材料层10、绝缘层15、第二线圈16。
所述质量块5为长方体。
所述第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14以质量块5为中心，对称分布在质量块5两侧，每侧的两根结构梁平行排布，每根结构梁的一端与边框1固定连接，另一端与质量块5固定连接；第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14的形状、长度、宽度、厚度相同。质量块5的上表面与第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14的上表面位于同一水平面。
所述质量块5和第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14的作用是：①在确定了质量块5、第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14以及磁铁3的形状和尺寸以后，即确定了所述MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的谐振频率和响应频带；②质量块5支撑磁铁3，当有外界振动信号时，质量块5和磁铁3进行振动。
所述第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14和质量块5的上表面制备绝缘层15；然后在第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14上绝缘层15的上表面上制备下电极层9；下电极层9通过引线与边框1上焊盘连接。下电极层9的上表面制备PZT压电材料层10；PZT压电材料层10的上表面制备第一上电极层7和第二上电极层8，第一上电极层7和第二上电极层8之间有一定间隙。
所述PZT压电材料层10上有焊盘。
所述第二上电极层8上有焊盘。
所述第一上电极层7通过引线与PZT压电材料层10上的焊盘连接。
所述第二上电极层8通过引线与其自身上的焊盘连接。
所述PZT压电材料层10的作用是：当质量块5和磁铁3振动时，引起第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14和PZT压电材料层10弯曲变形，导致PZT压电材料层10中产生应力、应变，进而在PZT压电材料层10的上表面和下表面产生电荷。
所述磁铁3固定于质量块5的上表面，其作用是：①提供磁场；②配合质量块5、第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14调节所述MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的谐振频率和响应频带。
所述第一线圈4位于磁铁3的上方，并固定于第一玻璃基板17的下表面，当磁铁3相对于第一线圈4振动时，第一线圈4中的磁通量发生变化时，在第一线圈4中产生感应电动势，输出能量。第一线圈4为平面线圈。第一线圈4和磁铁3之间有一定间隙。
所述第二线圈16位于磁铁3和质量块5的下方，并固定于第二玻璃基板18的上表面，如图5所示。当磁铁3相对于第二线圈16振动时，第二线圈16中的磁通量发生变化时，在第二线圈16中产生感应电动势，输出能量。第二线圈16为平面线圈。第二线圈16和质量块5之间有一定间隙。
所述第一上电极层7和第二上电极层8的作用是收集PZT压电材料层10上表面产生的电荷。
所述下电极层9的作用是收集PZT压电材料层10下表面产生的电荷。
所述MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的作用是：①当有外界振动作用时，通过质量块5和磁铁3产生惯性力作用到第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14上，使第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14及PZT压电材料层10发生弯曲变形，根据压电效应，在PZT压电材料层10上、下表面产生电荷，实现俘能作用；②在外界振动作用下，质量块5和磁铁3相对于第一线圈4和第二线圈16发生振动，第一线圈4和第二线圈16中的磁通量发生变化，进而产生电动势，实现俘能作用。
所述基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器的制备工艺过程具体为：
步骤0：根据应用需要的频带范围130Hz到250Hz，设计MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的工作频带为130Hz到250Hz，以及MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的数量为5；确定每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中质量块5、第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14以及磁铁3的位置、形状和尺寸；根据应用需要的电压、电流，设计MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中PZT压电材料层10的厚度，第一线圈4和第二线圈16的厚度、线宽及线间距；同时设计边框1的尺寸。
其中，第一个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中质量块5为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：100μm），第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14均为长方体（长：2mm；宽：300μm；厚：10μm），磁铁3为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：1mm）；根据应用需要的最大电压是1.2V、最大电流是50μA，设计第一个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中PZT压电材料层10的厚度为2μm，第一线圈4和第二线圈16的厚度为5μm；线宽为10μm；线间距为10μm，第一线圈4和第二线圈16的材料为铜。第一个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的谐振频率为150Hz，最大输出电压可达3.25V，最大输出电流为75μA。
第二个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中质量块5为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：100μm），第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14均为长方体（长：2mm；宽：400μm；厚：10μm），磁铁3为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：1mm）；根据应用需要的最大电压是1.2V、最大电流是50μA，设计第二个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中PZT压电材料层10的厚度为2μm，第一线圈4和第二线圈16的厚度为5μm；线宽为10μm；线间距为10μm，第一线圈4和第二线圈16的材料为铜。第二个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的谐振频率为172Hz，最大输出电压可达2.44V，最大输出电流为86μA。
第三个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中质量块5为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：100μm），第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14均为长方体（长：2mm；宽：500μm；厚：10μm），磁铁3为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：1mm）；根据应用需要的最大电压是1.2V、最大电流是50μA，设计第三个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中PZT压电材料层10的厚度为2μm，第一线圈4和第二线圈16的厚度为5μm；线宽为10μm；线间距为10μm，第一线圈4和第二线圈16的材料为铜。第三个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的谐振频率为192Hz，最大输出电压可达1.95V，最大输出电流为96μA。
第四个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中质量块5为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：100μm），第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14均为长方体（长：2mm；宽：600μm；厚：10μm），磁铁3为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：1mm）；根据应用需要的最大电压是1.2V、最大电流是50μA，设计第四个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中PZT压电材料层10的厚度为2μm，第一线圈4和第二线圈16的厚度为5μm；线宽为10μm；线间距为10μm，第一线圈4和第二线圈16的材料为铜。第四个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的谐振频率为211Hz，最大输出电压可达1.63V，最大输出电流为104μA。
第五个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中质量块5为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：100μm），第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14均为长方体（长：2mm；宽：700μm；厚：10μm），磁铁3为长方体（长：1.5mm；宽：1.5mm；厚：1mm）；根据应用需要的最大电压是1.2V、最大电流是50μA，设计第五个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中PZT压电材料层10的厚度为2μm，第一线圈4和第二线圈16的厚度为5μm；线宽为10μm；线间距为10μm，第一线圈4和第二线圈16的材料为铜。第五个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的谐振频率为230Hz，最大输出电压可达1.39V，最大输出电流为114μA。
边框1为正方形，长为8mm，宽为8mm，厚为0.4mm。
步骤1：在步骤0操作的基础上，设计、制作掩膜版，具体为：在一块完整的硅片上确定出边框1的位置、5个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的位置以及每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11中质量块5、第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13和第四结构梁14的位置；然后对硅片进行抛光，并对抛光的硅片表面通过氧化形成二氧化硅层；步骤2：在经过步骤1处理后得到的硅片的上表面上通过溅射工艺依次制备绝缘层15和下电极层9；
步骤3：在下电极层9的上表面通过溶胶-凝胶法制备PZT压电材料层10；
步骤4：对PZT压电材料层进行图形化处理，保留步骤1所设计的5个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14上的PZT压电材料层10，将硅片上其余部分的PZT压电材料层10去除掉，并在保留下来的PZT压电材料层10上加工焊盘。
步骤5：在步骤4操作的基础上，保留PZT压电材料层10下面的下电极层9，去除掉硅片上其余部分的下电极层9；
步骤6：在步骤5操作的基础上，保留5个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14和质量块5上面的绝缘层15，去除掉硅片上其余部分的绝缘层15；
步骤7：通过溅射工艺，在每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的每根结构梁上PZT压电材料层的上表面分别制备第一上电极层7和第二上电极层8；在第二上电极层8上加工焊盘。
步骤8：保留硅片上的边框1、5个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的第一结构梁6、第二结构梁12、第三结构梁13、第四结构梁14和质量块5的部分，去除掉硅片的其它部分，并在边框1上加工焊盘。
步骤9：在每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11的质量块5上的绝缘层15的上表面分别固定一个磁铁3；
步骤10：通过电镀工艺分别在第一玻璃基板17上制备5个第一线圈4、在第二玻璃基板18上制备5个第二线圈16；其中，5个第一线圈4分别位于5个磁铁3的上方，5个第二线圈16分别位于5个质量块5的下方；并分别在第一玻璃基板17和第二玻璃基板18上加工焊盘。
步骤11：将第二玻璃基板18固定于管壳20中；
步骤12：将边框1和5个MEMS电磁-压电复合式俘能单元11固定于管壳20中，位于第二玻璃基板18的上面，并使5个第二线圈16分别位于5个质量块5的下方，第二线圈16和质量块5不接触。
步骤13：将第一玻璃基板17粘附于盖板2的下表面；
步骤14：将盖板2固定于管壳20的上方，并使第一玻璃基板17的下表面粘附的5块第一线圈4分别处于5个磁铁3的上方，第一线圈4和磁铁3不接触。至此得到所述基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器。
Claims (9)
1.一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，其特征在于：其包括：边框（1）、2个以上的MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）、管壳（20）、盖板（2）、第一玻璃基板（17）和第二玻璃基板（18）；
所述第一玻璃基板（17）固定于盖板（2）的下表面，第一玻璃基板（17）上布置引线及焊盘；所述焊盘的作用是实现与外接负载的电气连接；
所述盖板（2）盖在管壳（20）的上面，边框（1）固定于管壳（20）的内部，所述2个以上的MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）固定于边框（1）内，并且MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）与管壳（20）的底面不接触；管壳（20）和盖板（2）的作用是封装边框（1）、全部MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）、第一玻璃基板及第二玻璃基板，对边框（1）、MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）、第一玻璃基板（17）及第二玻璃基板（18）起保护作用；
所述边框（1）为长方形或正方形边框，其作用是：①固定并支撑全部MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）；②布置引线及焊盘；所述焊盘的作用是实现与外接负载的电气连接；
所述第二玻璃基板（18）固定于在管壳（20）内，位于边框（1）及MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的下方，第二玻璃基板（18）与MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）不接触；第二玻璃基板（18）上布置引线及焊盘；
所述MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）包括：磁铁（3）、第一线圈（4）、质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）、第一上电极层（7）、第二上电极层（8）、下电极层（9）、PZT（锆钛酸铅）压电材料层（10）、绝缘层（15）、第二线圈（16）；
所述质量块（5）为正方体或长方体；
所述第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）以质量块（5）为中心，对称分布在质量块（5）的两侧，质量块（5）每侧的两根结构梁平行排布，并且每根结构梁的一端与边框（1）固定连接，另一端与质量块（5）固定连接；第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）的形状和尺寸相同；质量块（5）的上表面与第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的上表面位于同一水平面；
所述质量块（5）和第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的作用是：①在确定了质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）以及磁铁（3）的形状和尺寸以后，即确定了所述MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的谐振频率和响应频带；②质量块（5）支撑磁铁（3），当有外界振动信号时，质量块（5）和磁铁（3）进行振动；
所述第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和质量块（5）的上表面上是绝缘层（15）；第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）上的绝缘层（15）的上表面上是下电极层（9）；下电极层（9）通过引线与边框（1）上焊盘连接；下电极层（9）的上表面上是PZT压电材料层（10）；PZT压电材料层（10）的上表面上是第一上电极层（7）和第二上电极层（8），第一上电极层（7）和第二上电极层（8）之间有一定间隙；
所述PZT压电材料层（10）的作用是：当质量块（5）和磁铁（3）振动时，引起第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和PZT压电材料层（10）弯曲变形，导致PZT压电材料层（10）中产生应力、应变，进而在PZT压电材料层（10）的上表面和下表面产生电荷；
所述磁铁（3）固定于质量块（5）的上表面，其作用是：①提供磁场；②配合质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）调节所述MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的谐振频率和响应频带；
所述第一线圈（4）位于磁铁（3）的上方，并固定于第一玻璃基板（17）的下表面，当磁铁（3）相对于第一线圈（4）振动时，第一线圈（4）中的磁通量发生变化，在第一线圈（4）中产生感应电动势，输出能量；第一线圈（4）和磁铁（3）不接触；
所述第二线圈（16）位于质量块（5）的下方，并固定于第二玻璃基板（18）的上表面，当磁铁（3）相对于第二线圈（16）振动时，第二线圈（16）中的磁通量发生变化时，在第二线圈（16）中产生感应电动势，输出能量；第二线圈（16）和质量块（5）不接触；
所述第一上电极层（7）和第二上电极层（8）的作用是收集PZT压电材料层（10）上表面产生的电荷；
所述下电极层（9）的作用是收集PZT压电材料层（10）下表面产生的电荷；
所述MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的作用是：①当有外界振动作用时，通过质量块（5）和磁铁（3）产生惯性力作用到第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）上，使第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）及PZT压电材料层（10）发生弯曲变形，根据压电效应，在PZT压电材料层（10）上、下表面产生电荷，实现俘能作用；②在外界振动作用下，质量块（5）和磁铁（3）相对于第一线圈（4）和第二线圈（16）发生振动，第一线圈（4）和第二线圈（16）中的磁通量发生变化，进而产生电动势，实现俘能作用；
在制备基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器的过程中，通过优化确定每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）中的质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）以及磁铁（3）的形状和尺寸，使每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）分别具有不同的谐振频率，并且每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的频响之间有交集，将多个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）组合后，即可实现宽频带俘能效果；
当所述的基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器工作在设计的较宽频率范围内时，不同频率的振动总能激发一个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）工作，达到振动俘能的效果，当工作频率等于MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的谐振频率时，俘能效果最佳；
当外界振动引起质量块（5）和磁铁（3）相对于第一线圈（4）和第二线圈（16）发生振动时，根据压电效应和电磁感应定律，第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）上的PZT压电材料层（10）以及第一线圈（4）、第二线圈（16）同时输出电流、电压，并且PZT压电材料层（10）能输出较大的电压，而第一线圈（4）和第二线圈（16）则能产生较大的电流，即通过同一MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）可同时输出高电压和高电流，实现电磁-压电复合式俘能作用；当PZT压电材料层（10）的压电系数越大、厚度越厚、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）的弯曲变形越大时，输出的电压越大；当第一线圈（4）和第二线圈（16）的匝数越多、电阻越小、磁铁（3）的剩余磁感应强度越强、第一线圈（4）与磁铁（3）的间距越小、第二线圈（16）与质量块（5）的间距越小时，输出的电流越大；同时，当负载电阻和MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的内阻相等时，MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）输出的功率最大。
2.如权利要求1所述的一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，其特征在于：所述2个以上的MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）位于同一平面并且等间距排布于边框（1）的内部。
3.如权利要求1或2所述的一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，其特征在于：所述2个以上的MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）可以单独工作，也可以将部分或全部的MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）串联或并联后一起工作；当单个MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）能够满足频带需要时，MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）可单独工作；当需要提供高输出电压时，将部分或全部的MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）做串联连接；当需要提供高输出电流时，将部分或全部的MEMS压电-电磁复合式俘能单元（11）做并联连接。
4.如权利要求1至3之一所述的一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，其特征在于：所述第一线圈（4）和第二线圈（16）为平面线圈。
5.如权利要求1至4之一所述的一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，其特征在于：所述PZT压电材料层（10）上有焊盘。
6.如权利要求1至5之一所述的一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，其特征在于：所述第二上电极层（8）上有焊盘。
7.如权利要求1至6之一所述的一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，其特征在于：所述第一上电极层（7）通过引线与PZT压电材料层（10）上的焊盘连接或与边框（1）上的焊盘连接。
8.如权利要求6至7之一所述的一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，其特征在于：所述第二上电极层（8）通过引线与其自身上的焊盘或边框（1）上的焊盘连接。
9.如权利要求1至8之一所述的一种基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，其特征在于：所述基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器的制备工艺过程具体为：
步骤0：根据应用需要的频带范围，设计MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的工作频带，以及MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的数量N，N≥2；并确定每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）中质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）以及磁铁（3）的位置、形状和尺寸；根据应用需要的电压、电流，设计MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）中PZT压电材料层（10）的厚度，第一线圈（4）和第二线圈（16）的厚度、线宽及线间距；同时设计边框（1）的尺寸；
步骤1：在步骤0操作的基础上，设计、制作掩膜版，具体为：在一块完整的硅片上确定出边框（1）的位置、N个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的位置以及每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）中质量块（5）、第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）和第四结构梁（14）的位置；然后对硅片进行抛光，并对抛光的硅片表面通过氧化形成二氧化硅层；
步骤2：在经过步骤1处理后得到的硅片的上表面上通过溅射工艺依次制备绝缘层（15）和下电极层（9）；
步骤3：在下电极层（9）的上表面通过溶胶-凝胶法制备PZT压电材料层（10）；
步骤4：对PZT压电材料层进行图形化处理，保留步骤1所设计的N个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）上的PZT压电材料层（10），将硅片上其余部分的PZT压电材料层（10）去除掉，并在保留下来的PZT压电材料层（10）上加工焊盘；
步骤5：在步骤4操作的基础上，保留PZT压电材料层（10）下面的下电极层（9），去除掉硅片上其余部分的下电极层（9）；
步骤6：在步骤5操作的基础上，保留N个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和质量块（5）上面的绝缘层（15），去除掉硅片上其余部分的绝缘层（15）；
步骤7：通过溅射工艺，在每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的每根结构梁上PZT压电材料层的上表面分别制备第一上电极层（7）和第二上电极层（8）；在第二上电极层（8）上加工焊盘；
步骤8：保留硅片上的边框（1）、N个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的第一结构梁（6）、第二结构梁（12）、第三结构梁（13）、第四结构梁（14）和质量块（5）的部分，去除掉硅片的其它部分，并在边框（1）上加工焊盘；
步骤9：在每个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）的质量块（5）上的绝缘层（15）的上表面分别固定一个磁铁（3）；
步骤10：通过电镀工艺分别在第一玻璃基板（17）上制备N个第一线圈（4）、在第二玻璃基板（18）上制备N个第二线圈（16）；其中，N个第一线圈（4）分别位于N个磁铁（3）的上方，N个第二线圈（16）分别位于N个质量块（5）的下方；并分别在第一玻璃基板（17）和第二玻璃基板（18）上加工焊盘；
步骤11：将第二玻璃基板（18）固定于管壳（20）中；
步骤12：将边框（1）和N个MEMS电磁-压电复合式俘能单元（11）固定于管壳（20）中，位于第二玻璃基板（18）的上面，并使N个第二线圈（16）分别位于N个质量块（5）的下方，第二线圈（16）和质量块（5）不接触；
步骤13：将第一玻璃基板（17）粘附于盖板（2）的下表面；
步骤14：将盖板（2）固定于管壳（20）的上方，并使第一玻璃基板（17）的下表面粘附的N块第一线圈（4）分别处于N个磁铁（3）的上方，第一线圈（4）和磁铁（3）不接触；至此得到所述基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器。
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