[发明专利]柔性基底的压电能量采集器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的器件，具体是一种柔性基底的压电能量采集器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着无线传感器网络、嵌入式智能结构和可穿戴式健康监测等微系统器件及技术的迅速发展，对其供电电源提出新的要求和挑战，必须具有体积小、寿命长甚至无需更换、无人看管等特点。传统的化学电池供电方式因其容量有限、寿命短、体积大等缺点，已严重限制了上述系统的应用。目前，环境振动能量采集技术特别是压电式能量采集器是解决以上问题的有效方法之一。

压电振动能量采集器是基于正压电效应，当外力作用到压电元件上并引起材料变形，材料内部正、负束缚电荷之间的距离变小，其极化强度也变小，导致原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。目前，压电MEMS能量采集器多采用压电材料和基底材料以及作为电极的金属材料复合而成的多层悬臂梁结构，且大部分是在硅材料基底沉积一层PZT薄膜制备而成。制备的MEMS压电式振动能量收集器，还难以满足低功耗器件应用的需求。究其原因，一方面，采用成熟制备PZT薄膜的技术，比如sol-gel法，制备的厚度被限制在2m以内，这将限制器件的输出性能；另一方面，和柔性材料相比，硅材料弹性常数很大，器件的位移在一定程度上受到限制。

经对现有技术文献的检索发现，Dongna Shen, Jung-Hyun Park等在《Journal of Micromechanics and Microengineering》18(2008)撰文“The design,fabrication and evaluation of a MEMS PZT cantilever with an integrated Si proof mass for vibration energy harvesting”（“用于振动能量采集的，带有集成Si质量块的MEMS式PZT悬臂梁的设计、制造及测试”《微机械与微工程期刊》）。该文中提及到的MEMS压电能量采集器，采用硅作为悬臂梁支撑部分，并采用Sol-Gel工艺在硅基底上制备PZT薄膜，厚度约1m。因受薄膜厚度的限制，器件的输出性能不高。C.T. Pan, Z.H. Liu等人《Sensors and Actuators:Physical A》159 （2010）96-104撰文“Design and fabrication of flexible piezo-microgenerator by depositing ZnO thin films on PET substrates”（“ PET基ZnO薄膜的柔性压电微发电器的设计与制造”《传感器与执行器A》）。文中悬臂梁基底采用柔性PET材料，其能够增加器件在振动环境下的位移量，进而提高器件的输出，但该器件较大，实用性不强。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种柔性基底的压电能量采集器及制备方法，使换能元件在低频振动环境下获得较大的输出功率，以解决传统的MEMS压电能量采集器输出功率低问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及的柔性基底的压电能量采集器，是一种将弯曲振动机械能转换为微功率电能的压电器件，包括硅固定基座、聚对二甲苯（Parylene）基压电薄膜层和质量块，其中，聚对二甲苯基压电薄膜层一端固定在硅固定基座上，另一端悬空并与质量块固定连接。

所述的聚对二甲苯基压电薄膜层，包含聚对二甲苯层及附于聚对二甲苯层上的压电薄膜层，其中：压电薄膜层表面覆盖电极层。

所述的电极层为Cr、Ni、CrAu合金或TiPt合金制成。

所述的聚对二甲苯基压电薄膜层和质量块通过环氧树脂实现粘贴。

所述的压电薄膜材料为PZT陶瓷或PMNT压电单晶。

所述的质量块为镍金属块或钨金属块或硅质量块。

本发明涉及的柔性基底的压电能量采集器的制备方法，包括以下步骤：

第一步，通过键合和减薄方法制备硅基压电薄膜。

所述的键合和减薄方法制备硅基压电薄膜，具体是：将体材压电材料单面抛光，通过环氧树脂粘贴在硅基片上，然后通过化学机械研磨抛光方法将压电片厚度减薄至所需的厚度，如5m~100m。