專利名稱：基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電技術領域的裝置，具體是一種基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器。
背景技術：
隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)和無線傳感網絡不斷向前發(fā)展，如何對它們供電已成為其發(fā)展的一大障礙。常用的電池和電力線供電，操作和使用不方便，特別是對于無線傳感網絡通訊，由于其使用壽命長、節(jié)點分布廣泛，在某些地方傳感器工作位置難以觸及，更換電池或用電力線供電，在很多場合下是不切實際的。振動能量采集器能夠把周圍環(huán)境中的振動能轉化為電能從而為微型元器件供電。而利用傳統(tǒng)的機械加工技術得到的振動能量采集器，由于體積較大，無法與微型無線產品和微機電系統(tǒng)器件集成；隨著技術的改進和提高， 無線傳感器節(jié)點的能耗也逐步降低，利用微型振動能量采集器為其供電成為可能，同時與具有體積小，功耗低等特點的微機電系統(tǒng)器件又能很好的匹配，易于集成制造。經過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，之前大多數(shù)電磁式振動能量采集器器件中只有部分部件使用MEMS加工技術進行制作，然后組裝成一個完整的設備。比如rtrahim Sari 等人在"An electromagnetic micro power generator for wideband environmental vibrations” (Sensors and Actuators, A，2008，405-413)文章中使用 MEMS 技術制作能量采集器中的懸臂梁。Y. Jiang等人在“Fabrication of A Vibration-driven electromagnetic energy harvester with integrated NdFeB/Ta multilayered micro-magnets" (J. Micromech. Microeng. 2009, Vol.21 941-951)制作能量采集器中的彈簧。但整個器件最后仍靠手工裝配，參數(shù)控制困難，整體制作工藝步驟繁多復雜，很難批量生產。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器，通過由彈簧連接的圖形化永磁體實現(xiàn)能量采集。永磁體是利用微結構圖形化方法實現(xiàn)集成制造，而且由于圖形化的永磁體可以有較厚的微結構，因而比電鍍永磁體有更好的能量采集和轉化效率。并且采集器的加工過程是完全集成的，與IC工藝相兼容，易于批量化加工。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括絕緣襯底、平面螺旋感應線圈、 絕緣材料涂附層、拾振結構、圖形化永磁體、支撐結構和引線電極，其中絕緣襯底、平面螺旋感應線圈、絕緣材料涂附層、拾振結構、圖形化永磁體依次由下而上固定設置，支撐結構位于平面螺旋感應線圈和拾振結構的外側并與絕緣襯底固定連接，支撐結構將拾振結構懸空在絕緣材料涂附層上方。所述的絕緣襯底由石英或玻璃制成。所述的平面螺旋感應線圈為感應線圈繞組結構，具體為方形或圓形的多層多匝螺旋金屬銅線圈按螺旋漸開的方式組合構成，其中金屬銅線圈的高度、寬度以及匝與匝之間的距離為10微米-30微米，整體寬度視其上永磁體大小和磁感應強度而定，直徑或邊長為 600-1500 微米。所述的平面螺旋感應線圈上涂附絕緣材料，使螺旋感應線圈匝間相互絕緣，并保證平面螺旋感應線圈與拾振結構在運動時的絕緣性能。所述的絕緣材料涂附層，是通過旋涂等方式涂附在螺旋線圈上，絕緣材料如聚酰
亞胺等。所述的拾振結構包括位于正中永磁體下方的墊片、與支撐結構固定的連接片、墊片與支撐結構連接片之間的若干蛇形彈簧。所述的墊片和連接片均由電鍍鎳或電鍍銅制成且與蛇形彈簧連成一體，厚度為 5-50微米。所述的圖形化永磁體為圓形或方形，的直徑或邊長為400-1000微米，厚度為 50-1000微米?？梢酝ㄟ^適當控制諧振永磁體的質量、位置和形狀，可以適當調節(jié)其拾振頻率。所述的支撐結構是通過電鍍鎳或銅等金屬或微電鑄形成的方形或者弧形柱狀結構，采用室溫下多次疊層電鍍鎳或銅等金屬或微電鑄制作。所述的蛇形彈簧為單匝或多匝S形結構或雙S形結構彈簧，使用電鍍鎳或電鍍銅制成，其中S形結構的內徑為20-100微米，S形結構的平直部分長為50-500微米，單個蛇形彈簧長度為50-500微米。所述的蛇形彈簧具體位于永磁陣列的周圍，這樣磁體受力均勻，克服了懸臂梁或簡支梁應力集中的問題，同時也加大了磁體振幅，更有利于能量采集。所述的引線電極是通過電鍍鎳或銅等金屬或微電鑄形成的方形結構，采用室溫下多次疊層電鍍鎳或銅等金屬或微電鑄制作。所述的引線電極與平面螺旋感應線圈的雙端連接，并高于絕緣材料涂附層，用于與外電路連接。本發(fā)明主要用于采集自然環(huán)境中廣泛存在的100-1000赫茲中某一特定頻率范圍內的低頻振動能。通過由蛇形彈簧和圓形或方形磁體交互連接形成的拾振結構與外界發(fā)生諧振，根據(jù)法拉第定律，當器件這這一特定頻率范圍內振動時，通過平面螺旋感應線圈產生較大感應電流。根據(jù)理論分析，能量采集器通常應工作在諧振狀態(tài)(拾振固有頻率與環(huán)境振動頻率相等)，此時受迫振幅最大，輸出功率也最大。本發(fā)明采用了圓形或方形永磁體來響應外界環(huán)境中的振動，跟據(jù)有限元理論進行模態(tài)分析，當器件在一階模態(tài)時，拾振永磁體出現(xiàn)上下振動，其中位于陣列最中間的永磁體振幅最大，依次向外逐漸降低，此時最中間的平面磁感應線圈中得到最大的電壓；當器件在二階模態(tài)時，拾振永磁體出現(xiàn)波浪形彎曲，此時位于陣列兩邊永磁體出現(xiàn)最大振幅，相應的平面感應線圈產生感應電流最大，位于中間的永磁體振幅不大；當器件在第三階模態(tài)是，拾振永磁體出現(xiàn)繞以對角線搖擺，此時位于另外兩腳的永磁體出現(xiàn)振幅最大，產生最大感應電流。與此同時，還可以通過改變永磁體的尺寸、彈簧剛度和長度以及不同的電鍍材料，可以調節(jié)不同模態(tài)的共振頻率，對模態(tài)進行整合，使拾振結構在這一固定的頻率內產生較大電流，從而實現(xiàn)與器件所使用的環(huán)境所匹配。
本發(fā)明永磁體和蛇形彈簧組成的拾振結構，主要通過改變磁通量來產生感應電動勢而不是通過切割磁感線來產生電動勢，諧振永磁體位于感應線圈繞組的一側而不穿過感應線圈所在的平面。利用蛇形彈簧作為永磁體與永磁體之間、永磁體與支撐結構之間的連接，而不是通常所用的懸臂梁或簡支梁做支撐，一方面，這樣永磁快有更大的自由度，可以使其有更大的振幅，采能效率更高，并且可以對外界振動產生緩沖，避免應力集中折斷或拉壞；另一方面，這可以使磁體除了在主方向(垂直于彈簧和永磁體平面方向)上產生諧振能量采集外，在水平方向產生擺動或輕微轉動，由于切割磁感線而產生感應電流，這樣也能進行能量采集，可以進一步提高能量采集效率。本發(fā)明克服了以前基于MEMS的電磁式寬頻帶振動能量采集器在制作工藝的不足，傳統(tǒng)的磁片粘結技術精度差，體積大，集成度低，加工步驟繁雜，難以滿足MEMS設計和制造要求；掩膜電鍍工藝對外界要求高，厚度很有限，表面性能低，存在應力問題。本發(fā)明的拾振結構采用電鍍工藝和微結構圖形化相結合的方法，利用電鍍生成磁性材料基底和彈簧，這樣可以保證二者的銜接，然后利用光刻和微結構圖形化工藝直接將永磁體集成在器件上，可以制作更厚的永磁體，并且工藝簡單便于集成和批量生產。


圖1為實施例結構示意圖。圖2為實施例隱藏絕緣材料涂附層后結構示意圖。圖3為實施例拾振結構示意圖。圖4為實施例平面螺旋感應線圈結構示意圖。圖5為實施例絕緣材料涂附層涂附于平面螺旋感應線圈上時結構示意圖。圖6為實施例俯視圖。圖7為實施例隱藏絕緣材料涂附層后俯視圖。圖8為實施例平面螺旋感應線圈俯視圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例以本發(fā)明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器如圖1所示，本實施例包括絕緣襯底1、平面螺旋感應線圈2、絕緣材料涂附層3、 支撐結構4、連接片5、蛇形彈簧6、墊片7、圖形化永磁體8、引線電極9。四組支撐結構4固定在絕緣襯底1上，連接片5固定在支撐結構4上，蛇形彈簧6與連接片5相連并將墊片7 懸空在絕緣材料涂附層3上方，圖形化永磁體8在墊片7上方。如圖2所示，平面螺旋感應線圈2固定在絕緣襯底1上，由絕緣材料涂附層3完全覆蓋，平面螺旋感應線圈2的兩端分別于兩個引線電極9連接。所述的絕緣襯底1由石英或玻璃制成。所述的平面螺旋感應線圈2為感應線圈繞組結構，具體為方形或圓形的多層多匝螺旋金屬銅線圈按螺旋漸開的方式組合構成，其中金屬銅線圈的高度、寬度以及匝與匝之間的距離為10微米-30微米，整體寬度視其上永磁體大小和磁感應強度而定，直徑或邊長為600-1500微米。所述的絕緣材料涂附層3的材料如聚酰亞胺等，通過旋涂的方式涂附在平面螺旋感應線圈2上方，使平面螺旋感應線圈匝間相互絕緣，并保證平面螺旋感應線圈與拾振結構在運動時的絕緣性能。所述的支撐結構4是通過電鍍鎳或銅等金屬或微電鑄形成的方形或者弧形柱狀結構，采用室溫下多次疊層電鍍鎳或銅等金屬或微電鑄制作。所述的連接片5由電鍍鎳或電鍍銅制成且與蛇形彈簧連成一體，厚度為5-50微米。所述的蛇形彈簧6為單匝或多匝S形結構或雙S形結構彈簧，使用電鍍鎳或電鍍銅制成，其中S形結構的內徑為20-100微米，S形結構的平直部分長為50-500微米，單個蛇形彈簧長度為50-500微米。所述的蛇形彈簧6具體位于圖形化永磁體8下方的墊片7的周圍，這樣墊片受力均勻，克服了懸臂梁或簡支梁應力集中的問題，同時也加大了磁體振幅，更有利于能量采集。所述的墊片7由電鍍鎳或電鍍銅制成圓形結構或方形結構，且與蛇形彈簧連成一體，厚度為5-50微米，直徑或連長為400-1000微米。所述的圖形化永磁體8為圓形或方形，直徑或邊長為400-1000微米，厚度為 50-1000微米?？梢酝ㄟ^適當控制諧振永磁體的質量、位置和形狀，可以適當調節(jié)其拾振頻率。所述的引線電極9是通過電鍍鎳或銅等金屬或微電鑄形成的方形結構，采用室溫下多次疊層電鍍鎳或銅等金屬或微電鑄制作。所述的引線電極9與平面螺旋感應線圈2的兩端連接，并高于絕緣材料涂附層，用于與外電路連接。如圖3所示，由連接片5、蛇形彈簧6、墊片7組成的拾振結構是通過電鍍鎳或電鍍銅制成的一體結構，厚度為5-50微米。如圖4和圖5所示，平面螺旋感應線圈2由絕緣材料涂附層3完全涂附覆蓋，平面螺旋感應線圈兩端分別與兩個引線電極9相連接。如圖6所示，圖形化永磁體8水平方向尺寸與墊片7尺寸相同，墊片7位于永磁體 8正下方。由圖7與圖6對比所示，絕緣材料涂附層3將平面螺旋感應線圈2完全覆蓋，確保拾振結構在運動時與螺旋感應線圈的相應絕緣。如圖8所示，平面螺旋感應線圈2固定在絕緣襯底1上，平面螺旋感應線圈的兩端分別與兩個引線電極9相連接。當外部的振動應用于本實施例時，由慣性的作用下，永磁體與墊片一直向上移動或向下移動，導致平面螺旋感應線圈中磁通量發(fā)生變化，根據(jù)法拉第定理，從而產生出感應電壓。當外界的振動驅使永磁體水平方向運動時，平面螺旋感應線圈切割磁力相關，根據(jù)法拉第定理，也會產生出感應電壓。盡管本發(fā)明的內容已經通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器，包括絕緣襯底、 平面螺旋感應線圈、絕緣材料涂附層、拾振結構、圖形化永磁體、支撐結構和引線電極，其特征在于絕緣襯底、平面螺旋感應線圈和拾振結構依次由下而上固定設置，支撐結構位于平面螺旋感應線圈和拾振結構的外側并與絕緣襯底固定連接，支撐結構將拾振結構懸空在絕緣材料涂附層上方。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器， 其特征是，所述的平面螺旋感應線圈為感應線圈繞組結構，所述平面螺旋感應線圈的兩端分別與兩個引線電極相連接。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器，其特征是，所述的平面螺旋感應線圈為方形或圓形的多層多匝螺旋金屬銅線圈按螺旋漸開的方式組合構成。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器， 其特征是，所述的平面螺旋感應線圈上涂附絕緣材料涂附層，使螺旋感應線圈匝間相互絕緣。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器， 其特征是，所述的支撐結構是通過電鍍鎳或銅等金屬或微電鑄形成的方形或者弧形柱狀結構。
6.根據(jù)權利要求1或5所述的基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器，其特征是，所述的支撐結構是通過電鍍金屬或微電鑄形成的方形或者弧形柱狀結構，采用室溫下多次疊層電鍍金屬制作或微電鑄。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器， 其特征是，所述的拾振結構包括位于正中的墊片、與墊片連接的蛇形彈簧、與蛇形彈簧相連接的連接片。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器， 其特征是，所述的永磁體是通過圖形化方式制造，并固定在拾振結構上方。
9.根據(jù)權利要求1所述的基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器， 其特征是，所述的蛇形彈簧為S形結構或雙S形結構，通過電鍍鎳或電鍍銅制成，其中每個 S形結構的內徑為20-100微米，每個S形結構的平直部分長為50-500微米，單個蛇形彈簧長度為50-500微米。
10.根據(jù)權利要求1所述的基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器，其特征是，所述的引線電極是通過電鍍金屬或微電鑄形成的方形結構，采用室溫下多次疊層電鍍金屬或微電鑄制作。
全文摘要
一種微機電系統(tǒng)技術領域的基于圖形化永磁體完全集成的微型電磁式振動能量采集器，包括絕緣襯底、平面螺旋感應線圈、絕緣材料涂附層、拾振結構、圖形化永磁體、支撐結構和引線電極，其中絕緣襯底、平面螺旋感應線圈、絕緣材料涂附層、拾振結構、圖形化永磁體依次由下而上固定設置，支撐結構與絕緣襯底固定連接，并將拾振結構懸空在絕緣材料涂附層上方。在外界振動時，與拾振結構固定在一起的永磁體因為慣性的運動使感應線圈內的磁通量發(fā)生變化從而產生出感應電壓。永磁體是利用微結構圖形化方法實現(xiàn)集成制造，而且由于圖形化的永磁體可以有較厚的微結構，因而比電鍍永磁體有更好的能量采集和轉化效率，與IC工藝相兼容，易于批量化加工。
文檔編號H02K35/02GK102420517SQ20111038840
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月29日 優(yōu)先權日2011年11月29日
發(fā)明者丁桂甫, 楊卓青, 陶凱, 黃韜 申請人:上海交通大學