[发明专利]微型电磁式低频振动能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种电子元件技术领域的采集器，特别是一种微型电磁式低频振动能量采集器。

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，微机电系统由于具有能耗低、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系统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。目前给这些系统供电主要依靠电池或电力线。电池有以下缺点：寿命短，存储能量有限，相对被供电器件而言体积和质量大；在某些应用中更换电池成本很高，过程复杂。电力线的缺点是：造价昂贵，维护困难，而且在某些嵌入式系统和结构中根本无法使用电线。所以，必须寻找一种新的供电方式来代替电池和电力线。振动能量采集器可以把周围环境中的振动能转换为电能从而为无线电子器件供电，但是利用传统的机械加工技术得到的振动能量采集器，由于体积较大，无法与微型无线产品和微机电系统器件集成。微机电系统加工技术使得振动能量采集器的微型化成为可能，进而使得电子产品真正达到微型化和无线化。压电式微型振动能量采集器的输出电压比较高，但是其制作工艺很难与微机电系统加工技术集成。静电式微型振动能量采集器易于与微系统集成，但是它的缺点是开始工作时需要有一个外界电压驱动，这与无线供电是完全违背的。电磁式微型振动能量采集器不需要驱动电压，而且制作工艺与微机电系统加工技术兼容。虽然输出电压和功率低于压电式采集器，然而，随着结构和微机电系统加工技术的不断进步，这个缺点正在被逐渐克服。

经对现有技术文献的检索发现，E.Koukharenko等在《MicrosystemTechnologies》(微系统技术)，Vol12，2006，1071~1077撰文“Microelectromechanical systems vibration powered electromagneticgenerator for wireless sensor applications(适用于无线传感器的采集振动能量的电磁式MEMS发电机)”，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，根据电磁感应定律，线圈中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系统器件供电。该设计虽然能够采用集成电路加工技术实现，但是，有以下缺点：1)所设计的结构固有频率很大，振动振幅很小，难以采集外界环境中大量存在的100赫兹以下的低频振动能量2)所设计的结构要用深层反应离子刻蚀方法制作，加工成本很高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种基于金属平面弹簧的微型电磁式振动能量采集器，使其满足对低频振动能量采集效率高、易于集成制造等方面的综合要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：拾振结构、支撑结构和微线圈。支撑结构位于拾振结构四周，拾振结构和支撑结构位于微线圈上方。

所述拾振结构包括：金属平面弹簧和永磁体。金属平面弹簧包括四个弹性臂和中间的一个方形金属平台，永磁体位于金属平台上面，在微线圈的正上方。

所述金属平面弹簧厚度为10-30微米。

所述弹性臂宽度为100-500微米，形状为方螺旋型，拐弯处为圆角。相邻弹性臂之间的距离为100-500微米。

所述方形金属平台边长1-2毫米。

所述永磁体形状为立方体或圆柱体，磁极位于永磁体顶面和底面。

所述的支撑结构为环形，与金属平面弹簧集成在一起。厚度在500-1000微米，永磁体可以在此范围内上下振动。

所述的微线圈包括：微线圈绕组、绝缘基底。微线圈绕组设置在绝缘基底上。

所述微线圈绕组由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈组合构成，线圈的高度、线宽、匝与匝之间的距离都在10-30微米范围内。线圈之间有氧化铝或聚酰亚胺等绝缘材料。