[发明专利]柔性基底电磁式能量采集器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统领域，涉及一种能量采集器及其制备方法，尤其涉及一种基于柔性基底的微机电系统电磁式能量采集器及其制备方法，可以采集环境低频运动能量。

背景技术

随着社会生产需求的不断增长及微纳技术的快速发展，大量新型微纳器件与系统不断的开发出来并被广泛应用，特别是具有生物兼容性的用于防病治病的纳米药物输运和定向治疗的微纳系统。目前这些微纳系统主要依靠电池来供电，而电池的寿命一般较短需要不断地更换。对于体积很小的微纳产品，更换电池是个复杂的操作，并可能会对产品造成不必要的损伤，特别是在人体植入式系统中，更换电池或充电更是困难并会给使用者带来很大的伤害。如果能够从环境中采集能量并转化为电能，微纳系统的供电问题就可以很好地解决了。

由于振动在工业、建筑甚至生物体中（如肢体运动、血液流动、心脏跳动等）时刻存在，所以采集环境振动的微机电系统（MEMS）电磁式能量采集器得到了国内外同行的重视。在已经开展的研究中，由于基底材料多采用硅基，加工技术多采用粘连手段将永磁体装配到能量采集器中，导致器件生物兼容性、体积、效率等方面还有较大不足。特别是用于生物体内的产品，需要良好的生物兼容性和一定的柔韧性。Jong Cheol Park等人在“Micro-Fabricated Electromagnetic Power Generator to Scavenge Low Ambient Vibration”（IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL.46,NO.6,JMNE 2010）中提出了一种包含永磁体NdFeB、悬臂梁、固定线圈和PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）支架结构的电磁式能量采集器，在频率为54Hz加速度为0.57g的振动下，输出功率是115.1μW，输出电压是68.2mV。Ibrahim Sari等人在“An electromagnetic micro energy harvester based on an array of Parylene cantilevers”（IOP JOΜRNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING 2009）中提出了一种包含固定永磁体NdFeB、Parylene悬臂梁、可动线圈的电磁式能量采集器。器件的体积为456mm³的，一个悬臂梁在频率为3.4kHz的振动下，可以产生最大功率56pW、最大电压0.67mV。Ibrahim Sari等人在“An electromagnetic micro power generator for low-freqμency environmental vibrations based on the freqμency μpconversion techniqμe”（IEEE JOMRNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS,VOL.19,NO.1,FEBRMARY 2010）中提出了一种包含可动永磁体NdFeB、Parylene悬臂梁、可动线圈的电磁式能量采集器。器件的体积是148.75mm³，单个悬臂梁在频率70-150Hz的外界振动下，可以产生0.57mV，0.25nW的能量。结构较为新奇，但永磁体的粘连较困难，且输出能量太低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于柔性基底的微机电系统（MEMS）电磁式能量采集器及其制备方法，使用柔性聚合物作为基底，代替目前广泛使用的硅材料；并利用电镀工艺制备能量采集器中的部分永磁体和全部铜线圈，结合MEMS表面微机械加工技术来制备能量采集器。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电磁式能量采集器，包括由柔性结构层形成的腔体，以及封装于所述腔体内的永磁体块；所述柔性结构层包括柔性基底，以及位于所述柔性基底上的平面线圈和永磁体阵列。

进一步地，所述柔性基底为生物兼容性柔性聚合物，例如聚对二甲苯（Parylene）、PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）等；也可以为其它柔性聚合物，如聚酰亚胺等。

进一步地，所述永磁体阵列和所述平面线圈通过电镀工艺制成。

进一步地，所述永磁体阵列采用CoNiMnP永磁材料。

进一步地，所述腔体可以是四面体、正方体、长方体等，优选采用正方体结构。

进一步地，所述柔性结构层还包括保护层，位于所述柔性基底上并覆盖所述永磁体阵列和所述平面螺旋线圈，用于提高能量采集器结构的稳定性和使用寿命。