一種陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種陣列結(jié)構(gòu)的微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器。
【背景技術(shù)】
[0002 ]隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，MEMS器件的功耗比較低，一般數(shù)量級(jí)在微瓦左右，供能器件的小型化、微型化問(wèn)題日漸突出。特別對(duì)于可穿戴設(shè)備，需要體積小重量輕的供能器件，并具有較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間及更換周期。振動(dòng)廣泛存在于周圍環(huán)境中，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)微能源具有清潔無(wú)污染、體積小質(zhì)量輕、工作周期長(zhǎng)、制造工藝較為成熟等優(yōu)點(diǎn)。其中，電磁式振動(dòng)驅(qū)動(dòng)微能源輸出功率較大，更適合收集環(huán)境中的低頻振動(dòng)。
[0003]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn):現(xiàn)有產(chǎn)品的拾振結(jié)構(gòu)同時(shí)振動(dòng)，不同位置的拾振結(jié)構(gòu)不能同時(shí)達(dá)到最大振幅，如位于中間的拾振結(jié)構(gòu)振幅大于邊上的拾振結(jié)構(gòu)振幅，磁通密度與輸出功率低，且大部分產(chǎn)品的工藝制造需要手工粘接磁體，因而無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模集成化生產(chǎn)制造;固有頻率單一，無(wú)法在一個(gè)低頻頻段內(nèi)振動(dòng)，不能有效的收集環(huán)境中的低頻振動(dòng);器件的陣列化集成化有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的就是為解決器件的磁通密度與輸出功率低和拾振結(jié)構(gòu)振幅不一的問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題通過(guò)以下的技術(shù)方案予以解決:
[0006]—種陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器，包括絕緣襯底、平面螺旋感應(yīng)線圈和拾振結(jié)構(gòu)單元，所述拾振結(jié)構(gòu)單元包括振動(dòng)永磁體和振動(dòng)結(jié)構(gòu)，所述平面螺旋感應(yīng)線圈和所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)置在絕緣襯底上，所述振動(dòng)永磁體固定在所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)上;在平面螺旋感應(yīng)線圈內(nèi)設(shè)置陣列排布的拾振結(jié)構(gòu)單元，各所述振動(dòng)永磁體分別設(shè)置獨(dú)立的所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)，各所述拾振結(jié)構(gòu)單元周圍設(shè)置有增加磁通密度的固定永磁體，所述固定永磁體設(shè)置在絕緣襯底上的固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)上。
[0007]本發(fā)明的次一目的是解決手工粘接磁體及無(wú)法集成化的問(wèn)題:
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)具體方面，所述振動(dòng)永磁體采用圖形化方式制造，通過(guò)振動(dòng)托盤固定在彈簧自由端;所述固定永磁體是采用圖形化方式制造，通過(guò)固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)固定在絕緣襯底上。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)具體方面，所述彈簧支撐結(jié)構(gòu)、固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)是通過(guò)電鍍銅金屬或微電鑄形成的方形或者弧形柱狀結(jié)構(gòu)。
[0010]本發(fā)明的再一目的是解決固有頻率單一的問(wèn)題:
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)具體方面，各所述拾振結(jié)構(gòu)單元具有不同的結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)不同固有頻率的振動(dòng);各所述拾振結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)不同從而固有頻率不同，即所述振動(dòng)永磁體的大小或/和形狀不同，或/和所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)中的彈簧形狀或/和結(jié)構(gòu)不同，以實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)具體方面，所述振動(dòng)永磁體、所述固定永磁體與所述平面螺旋感應(yīng)線圈位于不同的平面上。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)具體方面，所述陣列排布的各固定永磁體位于彼此相鄰的拾振結(jié)構(gòu)單元的交匯處。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)具體方面，所述平面螺旋感應(yīng)線圈內(nèi)陣列排布的拾振結(jié)構(gòu)單元的總線型尺度小于一厘米，用于保證極短暫的可以忽略不計(jì)的相位差。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)具體方面，各所述振動(dòng)永磁體的振動(dòng)結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)彈簧、至少一個(gè)彈簧支撐結(jié)構(gòu)和一個(gè)振動(dòng)托盤，各所述彈簧自由端同時(shí)連接所述振動(dòng)托盤，各彈簧支撐結(jié)構(gòu)分布在所述振動(dòng)托盤周圍的絕緣襯底上且分別與各所述彈簧支撐端相連接，各所述振動(dòng)永磁體固定在各所述振動(dòng)托盤上。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)具體方面，所述拾振結(jié)構(gòu)單元周圍的固定永磁體為4個(gè)，以正方形方式或圓形方式設(shè)置在拾振結(jié)構(gòu)單元周圍；所有的所述固定永磁體以陣列方式排布；所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)包括4個(gè)彈簧，各彈簧支撐結(jié)構(gòu)以正方形或圓形方式分布在所述振動(dòng)永磁體的周圍;在任意四個(gè)兩兩相鄰的拾振結(jié)構(gòu)單元組成的圖形中心設(shè)置有固定永磁體。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)具體方面，所述平面螺旋感應(yīng)線圈為多層多匝螺旋金屬銅線圈按螺旋漸開(kāi)的方式組合而成，所述平面螺旋感應(yīng)線圈上涂附有絕緣材料層，用于使平面螺旋感應(yīng)線圈匝間相互絕緣。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)具體方面，所述彈簧為由電鍍鎳或電鍍銅制成的單匝或多匝S形結(jié)構(gòu)，其中S形結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑為20-100微米，S形結(jié)構(gòu)的平直部分長(zhǎng)為50-500微米，單個(gè)S形彈簧長(zhǎng)度為50-500微米。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比的有益效果是:
[0020]本發(fā)明在各振動(dòng)永磁體周圍設(shè)有固定永磁體，增大了磁通密度，增加輸出功率;每個(gè)振動(dòng)永磁體獨(dú)立支撐實(shí)現(xiàn)獨(dú)立振動(dòng)，在相同的輸出下，可以達(dá)到最大振幅，提升能量轉(zhuǎn)化效率;在平面螺旋感應(yīng)線圈有效長(zhǎng)度(即總長(zhǎng)度)相同的情況下，本發(fā)明陣列排布的拾振結(jié)構(gòu)單元共用一個(gè)平面螺旋感應(yīng)線圈，增大了平面螺旋感應(yīng)線圈半徑，減小了內(nèi)圈匝數(shù);從而有效增大品質(zhì)因數(shù)，增大了能量的轉(zhuǎn)化效率。
[0021]在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明還具有如下有益效果:
[0022]1、振動(dòng)永磁體和固定永磁體的圖形化制作，克服了傳統(tǒng)手工粘接磁體產(chǎn)生的精度差、體積大、集成度低、難以大規(guī)模生產(chǎn)等缺陷，克服了單一電鍍方法產(chǎn)生的磁體薄膜磁特性較低的缺點(diǎn)，通過(guò)光刻掩膜版圖形化與電鍍工藝結(jié)合，增加了線圈、彈簧、永磁體的厚度，提高了器件的整體性能，且便于大規(guī)模集成化生產(chǎn)制造。
[0023]2、陣列中各所述拾振結(jié)構(gòu)單元中的所述振動(dòng)永磁體的大小或/和形狀不同，或/和所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)中的彈簧形狀或/和結(jié)構(gòu)不同，振動(dòng)頻率不同，實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器的拾振結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3是本發(fā)明陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器的絕緣襯底上第一層結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]—種陣列式微型電磁式寬頻振動(dòng)能量采集器如圖1所示，包括絕緣襯底4、平面螺旋感應(yīng)線圈6、陣列排布的拾振結(jié)構(gòu)單元、陣列排布的固定永磁體2和固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)8，固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)8上設(shè)置有固定永磁體2，沿絕緣襯底4上最外圍固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)8的內(nèi)側(cè)設(shè)置平面螺旋感應(yīng)線圈6，在平面螺旋感應(yīng)線圈6內(nèi)設(shè)置陣列排布的拾振結(jié)構(gòu)單元，所述拾振結(jié)構(gòu)單元如圖1、2所示，包括彈簧7、彈簧支撐結(jié)構(gòu)5、振動(dòng)托盤3和振動(dòng)永磁體I;彈簧支撐結(jié)構(gòu)5、固定永磁體支撐結(jié)構(gòu)8和平面螺旋感應(yīng)線圈6固定在絕緣襯底4上，彈簧自由端連接振動(dòng)托盤3懸空在絕緣襯底4上方，振動(dòng)托盤3上固定振動(dòng)永磁體I，每一拾振結(jié)構(gòu)單元周圍分布多個(gè)用于形成閉合磁場(chǎng)的固定永磁體2。
[0028]振動(dòng)永磁體1、固定永磁體2與平面螺旋感應(yīng)線圈6位于不同的平面上。
[0029]各所述拾振結(jié)構(gòu)單元內(nèi)具有4個(gè)彈簧7，各彈簧7的自由端同時(shí)連接同一個(gè)振動(dòng)托盤3，各彈簧支撐結(jié)構(gòu)5均勻分布在同一個(gè)振動(dòng)托盤3周圍的絕緣襯底4上且分別與各彈簧支撐端相連接，各振動(dòng)永磁體I實(shí)現(xiàn)獨(dú)立振動(dòng)。
[0030]4個(gè)彈簧支撐結(jié)構(gòu)5是以方形方式分布在振動(dòng)托盤3周圍。
[0031]每一拾振結(jié)構(gòu)單元周圍的固定永磁體是4個(gè)，以正方形分布在所述拾振結(jié)構(gòu)單元的周圍;任意四個(gè)兩兩相鄰的拾振結(jié)構(gòu)單元組成的圖形中心具有一個(gè)固定永磁體2。
[0032]平面螺旋感應(yīng)線圈6為感應(yīng)線圈繞組結(jié)構(gòu)，由多層多匝螺旋金屬銅線圈按螺旋漸開(kāi)的方式組合構(gòu)成，其中金屬銅線圈的高度、寬度以及匝與匝之間的距離為10-30微米，整體寬度視振動(dòng)永磁體大小及彈簧長(zhǎng)度而定，整體直徑或邊長(zhǎng)為1000-8000微米。
[0033]通過(guò)旋涂等方式在平面螺旋感應(yīng)線圈6上涂附絕緣材料涂附層，絕緣材料如聚酰亞胺等。
[0034]絕緣襯底4由覆蓋一層二氧化硅的硅片構(gòu)成。
[0035]固定永磁體2為圖形化的方形、扇形或圓形結(jié)構(gòu)，直徑或邊長(zhǎng)為400-1000微米，厚度為50-1000微米，通