專(zhuān)利名稱(chēng)：基于mems的振動(dòng)能量采集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種能量采集裝置，特別涉及利用環(huán)境振動(dòng)源為無(wú)線(xiàn)傳感器或生物微納機(jī)電自治系統(tǒng)提供電源的裝置，具體是一種基于MEMS的振動(dòng)能量采集器。
背景技術(shù)：
無(wú)線(xiàn)傳感器或生物微納機(jī)電 自治系統(tǒng)目前得到越來(lái)越多的重視，比如設(shè)備工作性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及便攜式生物微納機(jī)電系統(tǒng)使用?？墒沁@些器件的電源目前得不到很好的解決，限制其廣泛的應(yīng)用。能量采集(Energy harvesting,Energy scavenging)是指通過(guò)光、熱、振動(dòng)、生物技術(shù)和其他技術(shù)來(lái)收集環(huán)境中未用到的能源(比如光能、熱能、機(jī)械能、風(fēng)能等能量)轉(zhuǎn)換成可以使用的電能。目前研究的振動(dòng)能量采集器主要有靜電式、壓電式和電磁式三種，由于壓電材料應(yīng)用廣泛，因此壓電振動(dòng)能量采集器研究較為深入，涉及到器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電極的布局以及壓電材料性能的研究；在壓電振動(dòng)能量采集器中主要用到壓電材料的d33和d31兩種工作模式，這通常需要一個(gè)利用環(huán)境振動(dòng)的懸臂梁或振動(dòng)膜。而現(xiàn)有研究的電磁式能量采集器大多也是通過(guò)一個(gè)彈簧或振動(dòng)膜利用環(huán)境振動(dòng)，使磁鐵和線(xiàn)圈產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。美國(guó)Michigan大學(xué)的Najafi等人2008年報(bào)道的微型電磁式振動(dòng)能量采集器可以將低頻振動(dòng)通過(guò)一個(gè)電磁式頻率放大裝置轉(zhuǎn)換成較高頻率振動(dòng)，進(jìn)而利用電磁感應(yīng)定律把較高頻率振動(dòng)具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。上海交通大學(xué)的王佩紅提出一種基于MEMS (Micro-Electro-Mechanical System,微機(jī)電系統(tǒng))微加工技術(shù)的新型電磁式振動(dòng)能量采集器，該結(jié)構(gòu)主要包括永磁體、硅基平面螺旋型鎳彈簧和雙層銅線(xiàn)圈，其中的彈簧和線(xiàn)圈采用MEMS工藝制作，NdFeB永磁體通過(guò)膠粘結(jié)于平面螺旋形金屬Ni彈簧上。D. Marioli研究的電磁振動(dòng)能量采集器為三明治結(jié)構(gòu)，在一個(gè)圓柱筒上端和下端固定有永磁體結(jié)構(gòu)，在這兩個(gè)永磁體結(jié)構(gòu)之間是由環(huán)形彈簧支撐的線(xiàn)圈，永磁體結(jié)構(gòu)包括一個(gè)環(huán)形永磁體和中央永磁體塊,而且中央永磁體和環(huán)形永磁體的磁化方向相反,線(xiàn)圈在上下永磁體結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)中的上下運(yùn)動(dòng)便產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。北京大學(xué)的張海霞課題組研究的電磁振動(dòng)能量采集器，在硅基底上制作銅線(xiàn)圈，一個(gè)振動(dòng)圓盤(pán)通過(guò)四個(gè)蛇形懸臂梁支撐于硅基底上，振動(dòng)圓盤(pán)上電鍍有永磁體陣列，當(dāng)振動(dòng)圓盤(pán)在外界振動(dòng)作用下上下運(yùn)動(dòng)，就在銅線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該振動(dòng)能量采集器的特點(diǎn)是在全部可以采用MEMS工藝制作。由于目前利用環(huán)境振動(dòng)源的振動(dòng)能量采集器中需要通過(guò)相連接支撐部件利用環(huán)境振動(dòng)，在其能量采集工作過(guò)程中會(huì)造成能量的額外消耗，導(dǎo)致環(huán)境振動(dòng)耦合到吸振部件的效率不高，不利于微能源的收集。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于MEMS的振動(dòng)能量采集器，所述的這種基于MEMS的振動(dòng)能量采集器要解決現(xiàn)有技術(shù)中機(jī)械式振動(dòng)能量采集器需要通過(guò)支撐部件支撐振子，從而造成額外的能源消耗、造成振動(dòng)能量采集器的能量采集效率低的技術(shù)問(wèn)題。[0006]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的其中，該振動(dòng)能量采集器包括上層熱解石墨薄板、懸浮永磁體、下層熱解石墨薄板和提升永磁體，上層熱解石墨薄板、懸浮永磁體和下層熱解石墨薄板從上而下依次設(shè)置，上層熱解石墨薄板與懸浮永磁體間設(shè)有間距，懸浮永磁體和下層熱解石墨薄板間設(shè)有間距，上層石墨薄板和下層石墨薄板固定于支架上，提升永磁體設(shè)于支架上，上層熱解石墨薄板下側(cè)面設(shè)有上感應(yīng)線(xiàn)圈，下層熱解石墨薄板上側(cè)面設(shè)有下感應(yīng)線(xiàn)圈，懸浮永磁體呈懸浮狀態(tài)位于上層石墨薄板和下層石墨薄板之間，該上感應(yīng)線(xiàn)圈兩端與上引出導(dǎo)線(xiàn)電連接，下感應(yīng)線(xiàn)圈兩端與下引出導(dǎo)線(xiàn)電連接，該上引出導(dǎo)線(xiàn)和下引出導(dǎo)線(xiàn)與蓄電回路連接。進(jìn)一步的，上感應(yīng)線(xiàn)圈和下感應(yīng)線(xiàn)圈由銅構(gòu)成，上感應(yīng)線(xiàn)圈通過(guò)電鍍工藝制作于上層石墨薄板下側(cè)面，下感應(yīng)線(xiàn)圈通過(guò)電鍍工藝制作于下層石墨薄板上側(cè)面，上感應(yīng)線(xiàn)圈和下感應(yīng)線(xiàn)圈是螺旋線(xiàn)圈。進(jìn)一步的，上感應(yīng)線(xiàn)圈和下感應(yīng)線(xiàn)圈由金屬鉍構(gòu)成,上感應(yīng)線(xiàn)圈和下感應(yīng)線(xiàn)圈是螺旋線(xiàn)圈?！0009]進(jìn)一步的，提升永磁體呈圓環(huán)形，懸浮永磁體呈圓盤(pán)狀。進(jìn)一步的,懸浮永磁體由SmCo永磁體、NdFeB永磁體或CoNiMnP永磁體構(gòu)成。進(jìn)一步的,懸浮永磁體直徑為2mm,厚度為50 200 μ m。本實(shí)用新型利用感應(yīng)線(xiàn)圈中磁通量的變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而從線(xiàn)圈輸出電壓，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量的采集。本實(shí)用新型在基于MEMS的振動(dòng)能量采集器中采用永磁體作為懸浮體，在永磁體上下各設(shè)有抗磁材料結(jié)構(gòu)，在抗磁材料上設(shè)有感應(yīng)線(xiàn)圈，為了更好的實(shí)現(xiàn)永磁體的懸浮，在上面一個(gè)抗磁材料結(jié)構(gòu)上還設(shè)有一個(gè)提升永磁體，可以有效確保懸浮永磁體懸浮于上下兩個(gè)抗磁材料薄板之間。這樣，在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)永磁體懸浮于上下兩個(gè)抗磁體結(jié)構(gòu)之間，在環(huán)境振動(dòng)作用下，該永磁體可以沒(méi)有摩擦地上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在上下兩個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)輸出，由蓄電回路對(duì)該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖I是本實(shí)用新型基于MEMS的振動(dòng)能量采集器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型基于MEMS的振動(dòng)能量采集器的另一個(gè)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例
以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖I和圖2所示，本實(shí)用新型的這種基于MEMS的振動(dòng)能量采集器，在本實(shí)施例中，其中，該振動(dòng)能量采集器包括上層熱解石墨薄板I、懸浮永磁體2、下層熱解石墨薄板3和提升永磁體4，上層熱解石墨薄板I、懸浮永磁體2和下層熱解石墨薄板3從上而下依次設(shè)置，上層熱解石墨薄板與懸浮永磁體間設(shè)有間距，懸浮永磁體和下層熱解石墨薄板間設(shè)有間距，上層石墨薄板I和下層石墨薄板3固定于支架上，為了側(cè)重表示該振動(dòng)能量采集器的結(jié)構(gòu)，圖中未畫(huà)出支架，提升永磁體4設(shè)于支架上，上層熱解石墨薄板I下側(cè)面設(shè)有上感應(yīng)線(xiàn)圈5，下層熱解石墨薄板3上側(cè)面設(shè)有下感應(yīng)線(xiàn)圈6，懸浮永磁體呈懸浮狀態(tài)位于上層石墨薄板和下層石墨薄板之間，該上感應(yīng)線(xiàn)圈5兩端與上引出導(dǎo)線(xiàn)電連接，下感應(yīng)線(xiàn)圈兩端與下引出導(dǎo)線(xiàn)電連接，該上引出導(dǎo)線(xiàn)和下引出導(dǎo)線(xiàn)與蓄電回路連接。上感應(yīng)線(xiàn)圈可以通過(guò)上層熱解石墨薄板上的過(guò)孔與上引出導(dǎo)線(xiàn)連接，下感應(yīng)線(xiàn)圈可以通過(guò)下層熱解石墨薄板上的過(guò)孔與下引出導(dǎo)線(xiàn)，這在制作工藝上容易實(shí)現(xiàn)，為了側(cè)重振動(dòng)能量采集器的結(jié)構(gòu)，圖中沒(méi)有畫(huà)出上引出導(dǎo)線(xiàn)和下引出導(dǎo)線(xiàn)。由于本結(jié)構(gòu)的特殊性，在懸浮永磁體的上下都設(shè)有熱解石墨薄板，熱解石墨是現(xiàn)有常溫下抗磁特性最強(qiáng)的材料，當(dāng)永磁體靠近熱解石墨薄板時(shí)，熱解石墨薄板給懸浮永磁體推力，因此本結(jié)構(gòu)方案中懸浮永磁體可以可靠地懸浮于上下兩個(gè)熱解石墨薄板之間；提升永磁體的作用是調(diào)節(jié)懸浮永磁體靜態(tài)穩(wěn)定時(shí)的高度。進(jìn)一步的，上感應(yīng)線(xiàn)圈5和下感應(yīng)線(xiàn)圈6由銅構(gòu)成，上感應(yīng)線(xiàn)圈5通過(guò)電鍍工藝制作于上層石墨薄板I下側(cè)面，下感應(yīng)線(xiàn)圈6通過(guò)電鍍工藝制作于下層石墨薄板3上側(cè)面，上感應(yīng)線(xiàn)圈5和下感應(yīng)線(xiàn)圈6是螺旋線(xiàn)圈。銅的電阻率很小，是比較理想的導(dǎo)電材料，這可以減小該振動(dòng)能量采集器工作中的熱損；同時(shí)在MEMS制作工藝中電鍍銅線(xiàn)圈的工藝為成熟工藝，容易制作橫截面為邊長(zhǎng)10微米左右的正方形的銅線(xiàn)圈。 進(jìn)一步的，提升永磁體呈圓環(huán)形，懸浮永磁體呈圓盤(pán)狀，圓環(huán)形提升永磁體產(chǎn)生的磁勢(shì)能阱可以使圓盤(pán)形懸浮永磁體自動(dòng)對(duì)中。進(jìn)一步的，懸浮永磁體CoNiMnP永磁體構(gòu)成，在本結(jié)構(gòu)中我們首先選擇懸浮磁體為CoNiMnP永磁體,這種永磁體可以通過(guò)電鍍工藝制作。進(jìn)一步的，為了減小懸浮永磁體的重量，懸浮永磁體直徑選擇為2mm,厚度為100 μ m,上感應(yīng)線(xiàn)圈和下感應(yīng)線(xiàn)圈的外徑與懸浮永磁體的直徑相適應(yīng)。當(dāng)然，本結(jié)構(gòu)還有其他的變形。比如，上感應(yīng)線(xiàn)圈和下感應(yīng)線(xiàn)圈由金屬鉍構(gòu)成，上感應(yīng)線(xiàn)圈和下感應(yīng)線(xiàn)圈是螺旋線(xiàn)圈，金屬鉍也是抗磁材料，它可以進(jìn)一步提高上下石墨薄板對(duì)懸浮永磁體的排斥力，同時(shí)，在懸浮永磁體上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬鉍線(xiàn)圈中可以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。懸浮永磁體也可以由SmCo永磁體或NdFeB永磁體,這兩種材料的磁性能較強(qiáng)。同時(shí)，懸浮永磁體的厚度在50 200 μ m之間均可以，根據(jù)懸浮永磁體的重量，調(diào)節(jié)提升永磁體，以保證其可靠懸浮。懸浮永磁體也可以是方形薄板，這是上感應(yīng)線(xiàn)圈和下感應(yīng)線(xiàn)圈采用方形螺旋線(xiàn)圈比較合適。提升永磁體也可以采用其它形狀，其主要作用是幫助實(shí)現(xiàn)懸浮永磁體的懸浮。
權(quán)利要求1.一種基于MEMS的振動(dòng)能量采集器，其特征在于該振動(dòng)能量采集器包括上層熱解石墨薄板、懸浮永磁體、下層熱解石墨薄板和提升永磁體，上層熱解石墨薄板、懸浮永磁體和下層熱解石墨薄板從上而下依次設(shè)置，上層熱解石墨薄板與懸浮永磁體間設(shè)有間距，懸浮永磁體和下層熱解石墨薄板間設(shè)有間距，上層石墨薄板和下層石墨薄板固定于支架上，提升永磁體設(shè)于支架上，上層熱解石墨薄板下側(cè)面設(shè)有上感應(yīng)線(xiàn)圈，下層熱解石墨薄板上側(cè)面設(shè)有下感應(yīng)線(xiàn)圈，懸浮永磁體呈懸浮狀態(tài)位于上層石墨薄板和下層石墨薄板之間，該上感應(yīng)線(xiàn)圈兩端與上引出導(dǎo)線(xiàn)電連接，下感應(yīng)線(xiàn)圈兩端與下引出導(dǎo)線(xiàn)電連接，該上引出導(dǎo)線(xiàn)和下引出導(dǎo)線(xiàn)與蓄電回路連接。
2.如權(quán)利要求I所述的基于MEMS的振動(dòng)能量采集器，其特征在于上感應(yīng)線(xiàn)圈和下感應(yīng)線(xiàn)圈由銅構(gòu)成，上感應(yīng)線(xiàn)圈通過(guò)電鍍工藝制作于上層石墨薄板下側(cè)面，下感應(yīng)線(xiàn)圈通過(guò)電鍍工藝制作于下層石墨薄板上側(cè)面，上感應(yīng)線(xiàn)圈和下感應(yīng)線(xiàn)圈是螺旋線(xiàn)圈。
3.如權(quán)利要求I所述的基于MEMS的振動(dòng)能量采集器，其特征在于上感應(yīng)線(xiàn)圈和下感應(yīng)線(xiàn)圈由金屬鉍構(gòu)成，上感應(yīng)線(xiàn)圈和下感應(yīng)線(xiàn)圈是螺旋線(xiàn)圈。
4.如權(quán)利要求2或3所述的基于MEMS的振動(dòng)能量采集器，其特征在于提升永磁體呈圓環(huán)形，懸浮永磁體呈圓盤(pán)狀。
5.如權(quán)利要求4所述的基于MEMS的振動(dòng)能量米集器,其特征在于懸浮永磁體由SmCo永磁體、NdFeB永磁體或CoNiMnP永磁體構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求5所述的基于MEMS的振動(dòng)能量采集器，其特征在于懸浮永磁體直徑為2mm,厚度為50 200 μ m。
專(zhuān)利摘要一種基于MEMS的振動(dòng)能量采集器，包括上層熱解石墨薄板、懸浮永磁體、下層熱解石墨薄板和提升永磁體，上層熱解石墨薄板、懸浮永磁體和下層熱解石墨薄板從上而下依次設(shè)置，上層熱解石墨薄板下側(cè)面設(shè)有上感應(yīng)線(xiàn)圈，下層熱解石墨薄板上側(cè)面設(shè)有下感應(yīng)線(xiàn)圈。本實(shí)用新型在基于MEMS的振動(dòng)能量采集器中采用永磁體作為懸浮體，在永磁體上下各設(shè)有抗磁材料結(jié)構(gòu)，在抗磁材料上設(shè)有感應(yīng)線(xiàn)圈，為了更好的實(shí)現(xiàn)永磁體的懸浮，在上面一個(gè)抗磁材料結(jié)構(gòu)上還設(shè)有提升永磁體，在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)永磁體懸浮于上下兩個(gè)抗磁體結(jié)構(gòu)之間，在環(huán)境振動(dòng)作用下，該永磁體沒(méi)有摩擦地上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在上下兩個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由蓄電回路對(duì)該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行存儲(chǔ)。
文檔編號(hào)H02K35/02GK202663271SQ20122026267
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者蘇宇鋒, 段智勇, 郭丹 申請(qǐng)人:鄭州大學(xué)