[发明专利]基于MEMS的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS（Micro-electro-mechanical Systems，微机电系统）的动磁铁型电磁-压电复合式宽频俘能器，属于微机电系统领域。

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系统中的低功耗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系统中使用；（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、系统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系统中为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。