[发明专利]基于复合压电薄膜的能量采集器

说明书

本发明公开了一种基于复合压电薄膜的能量采集器，包括：固定基座，悬臂梁，质量负载；所述固定基座和悬臂梁可以是连续曲面图形或多边形，所述质量负载可根据悬臂梁形状适当调整其形状尺寸，所述悬臂梁与固定基座接触端形成固定端，远离端形成自由端。所述悬臂梁为自上而下多层结构为：上电极、压电层、下电极、支撑层，所述压电层为具有低介电常数(低介电损耗)、低压电系数(较差的压电性能)的压电层和具有高介电常数(高介电损耗)、高压电系数(良好的压电性能)的压电层根据实际情况排列组合为两层或多层结构的复合压电薄膜，所述复合压电薄膜各层厚度根据实际情况确定，整体具有良好的压电和介电性能，能够提高能量采集器的输出电压。

技术领域

本发明涉及能量采集器技术领域，具体涉及一种基于复合压电薄膜的能量采集器。

背景技术

近年来，随着无线传感器和MEMS技术的快速发展，可穿戴电子设备和无线传感器都已经迈入了小型化、微能源、低功耗的时代，并且在智能电子设备，无人驾驶、机器人以及各类军事领域都有着较高的应用前景，MEMS技术是一种集微传感器、微执行器、微能源以及高性能电子集成器件等于一体的微器件或系统。一般情况下，电子设备和微传感器都是使用电池提供能量，例如镍氢电池、锂聚合物电池等等。但这种传统意义上的电池存在其自身的缺点：1.相对于微器件来说，尺寸较大，不宜与微传感器、微执行器等集成；2.电池寿命有限，需时常更换，提高制作成本。而微能源以其小尺寸，易于与其他微电子器件集成等优点成为现今研究的一大热点。

环境中存在着多种形式的振动，例如人体走路时的振动，汽车行驶时轮胎的振动，机器运转时的振动，这些振动均是潜在的能量，振动能量采集器是一种将振动能量转化为电能的能量转化器件，它利用压电材料的正压电效应(压电振子受到机械振动)促进内部电荷移动，将机械能转化为电能。目前采用AlN压电材料，AlN具有两种工作模式(d₃₁和d₃₃)，d₃₁模式是指外力作用方向正交于压电材料极化后产生电场方向，d₃₃模式是指外力作用方向与压电材料极化后产生电场方向平行，其中AlN压电材料的d₃₃压电系数是d₃₁压电系数的两倍多，因此，在相同外力的作用下，d₃₃模式的电能输出效果最优。

悬臂梁作为工程中常见接受或产生振动的结构，可以产生最大的柔顺系数和挠度，具有较宽的动态范围和较低的谐振频率，并且拥有高灵敏度、低结构刚度、易加工等优点，所以悬臂梁结构是压电式振动能量采集器的首选结构。

目前压电式悬臂梁能量采集器一般由基座、悬臂梁、压电材料、质量块和外部采集电路构成。悬臂梁固定在基座上，在悬臂梁上表面铺沉底电极，然后设置压电层，上电极沉积在压电层上部，质量块固定在悬臂梁上以降低能量采集器的谐振频率。压电能量采集器主要性能指标为输出电压，该性能指标很大程度上取决于其功能层(压电薄膜)的压电性能和介电性能，而目前能量采集器所用采用的大部分是纯AlN薄膜或者纯ScAlN薄膜，AlN介电常数低，介电损耗小，具有良好的介电性能，但其压电系数相对较小，压电性能较差，ScAlN具有高压电系数，但其介电常数较大，易产生较高的介电损耗，介电性能较差，这些压电薄膜在满足良好压电性能的同时往往介电性能较差，或者在满足良好介电性能的同时往往压电性能较差，因此，急需一种同时具有良好压电性能和介电性能的压电薄膜来有效提高能量采集器性能，良好的压电性能能够较好地改善其能量采集器压电层上下表面的电荷密度，良好的介电性能(低介电损耗)能够减少电荷迁移过程中的能量损耗，能够增加电荷迁移量，最终也能提高电荷密度，此外，良好的介电性能(低介电损耗)能够减小压电层的等效电容，较高的电荷密度和较小的等效电容能够产生较高的输出电压，提高能量采集器自身性能。

发明内容