[发明专利]压电-电磁复合式振动能量收集器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种压电‑电磁复合式振动能量收集器及其制备方法，该振动能量收集器包括相互堆叠的第一衬底、第二衬底和第三衬底；所述第一衬底、所述第三衬底经刻蚀分别形成第一、第二悬臂梁结构，其中所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽、所述第一凹槽上方为第一悬臂梁结构，所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；所述第二衬底的上、下表面相对应的位置形成有第三凹槽和第四凹槽，以组装形成三组不同谐振频率的拾振结构。通过该制备方法所制备的振动能量收集器具有高的能量收集效率、输出功率和输出功率密度(W/cm²)，还具有尺寸小、精度高、易于批量制造、制造成本低以及易于小型化的优点。

【技术领域】

本发明涉及一种收集环境中振动能量的能量收集器及其制备方法，尤其涉及一种基于压电效应和电磁感应原理的复合式谐振型振动能量收集器及其制备方法。

【背景技术】

能量收集器可拾取环境能量(如辐射、温差、振动等)并转化为电能为系统供电。与传统的电化学电池比较，能量收集器具有经济、环保且理论上无寿命限制等优点，因此符合能源的未来发展趋势，非常适合于为物联网、可穿戴设备等新兴领域提供电能。太阳能、电磁辐射、温差、振动等都是可拾取的环境能源，与其它环境能源相比，振动是一种分布广泛的能量源，因此，振动能量收集器具有广阔的发展和应用前景。

根据不同的工作原理，振动能量收集器包括静电式、压电式及电磁式等几种类型，其中，静电式能量收集器需要额外辅助电源才能将动能转换为电能，其结构和操作复杂，因此，基于压电效应和法拉第电磁感应原理的压电式和电磁式振动能量收集器受到人们的广泛关注。压电式和电磁式能量收集器各有优缺点：压电式能量收集器输出电压高，但输出电流低；电磁式能量收集器恰与之相反。因此，将压电式和电磁式能量收集器相复合，充分发挥两者的优势，是提高能量收集器输出功率的有效方式。目前，压电-电磁复合型振动能量收集器通常为谐振型，即只有当收集器中拾振结构(如悬臂梁、薄膜等)的固有频率接近环境中的振动频率时，收集器才能高效地收集环境中的振动能量。但是，环境中的振动具有频带宽且多变的特点，另一方面，目前的压电-电磁复合式振动能量收集器大多只存在单一的拾振结构(或谐振频率)，它的能量收集效率较低。因此，有必要提出一种新的复合式谐振型振动能量收集器。

【发明内容】

基于上述问题，本发明提供了一种压电-电磁复合式振动能量收集器，其包括：

相互堆叠的第一衬底、第二衬底和第三衬底；所述第一衬底、所述第三衬底经刻蚀分别形成第一、第二悬臂梁结构，其中所述第一衬底的下表面形成有第一凹槽、所述第一凹槽上方为第一悬臂梁结构，所述第三衬底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方为第二悬臂梁结构；

所述第二衬底的上、下表面相对应的位置形成有第三凹槽和第四凹槽，所述第三凹槽和所述第四凹槽之间间隔第二衬底薄膜；所述第三凹槽中设置有永磁体；所述第一凹槽与所述第三凹槽相对堆叠，所述第二凹槽与所述第四凹槽相对堆叠；

所述第一悬臂梁结构的外侧表面设置有第一压电-电磁复合拾振结构，所述第二悬臂梁结构的外侧表面设置有第二压电-电磁复合拾振结构。

优选地，还包括设置在所述第一悬臂梁结构末端的第一质量块，和/或还包括设置在所述第二悬臂梁结构末端的第二质量块。

优选地，所述第一压电-电磁复合拾振结构包括设置在所述第一悬臂梁表面的第一压电层与第一电感线圈层；和/或所述第二压电一电磁复合拾振结构包括设置在所述第二悬臂梁表面的第二压电层与第二电感线圈层；所述第一压电层、所述第二压电层分别与所述第一电感线圈层、所述第二电感线圈层相绝缘隔离。

优选地，所述第一凹槽、所述第二凹槽、所述第三凹槽、所述第四凹槽的表面设置有绝缘层。

优选地，所述第一压电层包括第一压电材料层以及形成在该第一压电材料层的上、下表面的上、下电极；和/或所述第二压电层包括第二压电材料层以及形成在该第二压电材料层的上、下表面的上、下电极。