專利名稱：基于mems的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于MEMS (Micro-electro-mechanical Systems,微機電系統(tǒng))的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，屬于微機電系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著低功耗器件，特別是適用于無線傳感網(wǎng)絡和微慣性系統(tǒng)中的低功耗MEMS 傳感器和 ASIC (Application Specific Integrated Circuit,專用集成電路)芯片的發(fā)展，使得從工作環(huán)境中直接俘獲能量以供給器件工作成為可能。傳統(tǒng)方式中主要利用化學電池給器件供電，但這種供能方式存在比較突出的問題:(I)化學電池的壽命有限，間隔一段時間需要更換或充電，對于在偏遠地區(qū)或在特殊環(huán)境中工作(如密閉空間中)的器件來說，更換電池、給電池充電成本太高或不可行；(2)化學電池對環(huán)境的污染較大，同時，處理廢棄電池將導致成本進ー步増加；(3)化學電池的體積較大，無法在工作空間較小的系統(tǒng)中使用；(4)化學電池無法實現(xiàn)與MEMS器件集成，因而進一歩限制了其在MEMS領(lǐng)域中的應用。考慮到MEMS器件的工作環(huán)境及對供能方式的要求，如能長時間工作、占用工作空間小及可與MEMSエ藝兼容等，研究開發(fā)可替代化學電池的供能方式已成為近年來的研究熱點。目前國內(nèi)外已研究出多種替代化學電池的微能源，主要有振動型俘能器、太陽能電池、溫差電池等供能方式，但其中的太陽能電池與溫差電池對工作環(huán)境中的光、溫度等有較苛刻的要求，且不能在密閉環(huán)境中工作，這些因素在很大程度上限制了它們的應用。而振動型俘能器則是將振動能轉(zhuǎn)化為電能的一種俘獲能量器件，幾乎所有的器件、系統(tǒng)都工作在一定的振動環(huán)境中，因此，振動型俘能器的應用范圍非常廣闊。目前，研究開發(fā)出的振動型俘能器主要包括基于MEMS技術(shù)的振動型俘能器和基于傳統(tǒng)加工技術(shù)的微小型振動俘能器，其中，由于MEMS俘能器的體積小，且能實現(xiàn)與其他MEMS傳感器的集成，因此，可應用于無線傳感網(wǎng)絡和微慣性系統(tǒng)中為MEMS器件供能。目前已研究出的MEMS振動型俘能器主要包括三種類型，分別是基于壓電效應的壓電式俘能器、基于電磁感應定律的電磁式俘能器及基于電容原理的靜電式俘能器。由于具有體積小、能長時間工作、可實現(xiàn)無源供能，且可與MEMSエ藝相集成等優(yōu)點，MEMS振動型俘能器已成為了近年來MEMS領(lǐng)域及微能源領(lǐng)域的研究熱點。但目前已研究出的MEMS俘能器還存在一些限制其應用的因素，比如帶寬較窄(通常為幾Hz到幾十Hz)，同時，三種類型的俘能器都有其各自不同的特點，如壓電式俘能器的輸出電壓較大，但由于內(nèi)阻較大導致輸出電流較小，通常只有幾微安到幾十微安；電磁式俘能器的輸出電流較大，但輸出電壓只有幾十到幾百毫伏，無法滿足常用器件的供電要求；靜電式俘能器則需要一定的初始電壓才能正常工作，因而無法實現(xiàn)無源供能。此外，由于工作環(huán)境中的振動頻率通常分布在一定的頻帶范圍內(nèi)，因此，需要拓寬MEMS俘能器的工作帶寬，以覆蓋整個工作環(huán)境的振動頻率，提高俘能效率。所以，針對目前傳統(tǒng)供能方式及已研究出的MEMS俘能器所存在的問題，研究開發(fā)一種同時具有寬頻帶、較大輸出電壓和較大輸出電流的MEMS振動型俘能器成為必 要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決已有MEMS振動型俘能器存在的不足，提出一種基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，其具有寬頻帶俘能效果并同時能輸出較大電壓和較大電流。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的?！N基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器,包括:邊框(1)、2個以上的MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)、管殼(20)、蓋板(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)固定于蓋板(2)的下表面,第一玻璃基板(17)上布置引線及焊盤。所述焊盤的作用是實現(xiàn)與外接負載的電氣連接。所述蓋板(2)蓋在管殼(20)的上面，邊框(I)固定于管殼(20)的內(nèi)部，所述2個以上的MEMS電磁-壓電復合式俘能單兀(11)固定于邊框(I)內(nèi)，并且MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)與管殼(20 )的底面不接觸。管殼(20 )和蓋板(2 )的作用是封裝邊框(I)、全部MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)、第一玻璃基板及第ニ玻璃基板，對邊框(I)、MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)、第一玻璃基板(17)及第ニ玻璃基板(18)起保護作用。所述邊框(I)為長方形或正方形邊框，其作用是:①固定并支撐全部MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11) 布置引線及焊盤。所述焊盤的作用是實現(xiàn)與外接負載的電氣連接。所述2個以上的MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)位于同一平面并且等間距排布于邊框(I)的內(nèi)部。所述第二玻璃基板(18)固定于在管殼(20)內(nèi)，位于邊框(I)及MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)的下方，第二玻璃基板(18)與MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)不接觸。第二玻璃基板(18)上布置引線及焊盤。所述2個以上的MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)可以單獨工作，也可以將部分或全部的MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)串聯(lián)或并聯(lián)后一起工作。當單個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)能夠滿足頻帶需要吋，MEMS電磁-壓電復合式俘能単元
(11)可単獨工作；當需要提供高輸出電壓時，將部分或全部的MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)做串聯(lián)連接；當需要提供高輸出電流時，將部分或全部的MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)做并聯(lián)連接。所述MEMS電磁-壓電復合式俘能單兀(11)包括:磁鐵(3)、第一線圈(4)、質(zhì)量塊
(5)、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)、第一上電極層
(7)、第二上電極層(8)、下電極層(9)、PZT (鋯鈦酸鉛)壓電材料層(10)、絕緣層(15)、第二線圈(16)。所述質(zhì)量塊(5)為正方體或長方體。所述第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)和第四結(jié)構(gòu)梁(14)以質(zhì)量塊(5)為中心，對稱分布在質(zhì)量塊(5)的兩側(cè)，質(zhì)量塊(5)每側(cè)的兩根結(jié)構(gòu)梁平行排布，并且每根結(jié)構(gòu)梁的一端與邊框(I)固定連接，另一端與質(zhì)量塊(5)固定連接；第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)和第四結(jié)構(gòu)梁(14)的形狀和尺寸相同。質(zhì)量塊(5)的上表面與第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)的上表面位于同一水平面。所述質(zhì)量塊(5)和第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)的作用是:①在確定了質(zhì)量塊(5)、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)以及磁鐵(3)的形狀和尺寸以后，即確定了所述MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的諧振頻率和響應頻??；②質(zhì)量塊(5 )支撐磁鐵(3 )，當有外界振動信號時，質(zhì)量塊(5 )和磁鐵(3 )進行振動。所述第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)和質(zhì)量塊(5)的上表面上是絕緣層(15);第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)和第四結(jié)構(gòu)梁(14)上的絕緣層(15)的上表面上是下電極層(9);下電極層(9)通過引線與邊框(I)上焊盤連接。下電極層(9 )的上表面上是PZT壓電材料層(10 ) ;PZT壓電材料層(10 )的上表面上是第一上電極層(7)和第二上電極層(8)，第一上電極層(7)和第二上電極層(8)之間有一定間隙。所述PZT壓電材料層(10)上有焊盤。所述第二上電極層(8)上有焊盤。所述第一上電極層(7)通過引線與PZT壓電材料層(10)上的焊盤連接或與邊框
(I)上的焊盤連接。所述第二上電極層(8)通過引線與其自身上的焊盤或邊框(I)上的焊盤連接。所述PZT壓電材料層(10)的作用是:當質(zhì)量塊(5)和磁鐵(3)振動時，引起第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)和PZT壓電材料層(10)彎曲變形，導致PZT壓電材料層(10)中產(chǎn)生應力、應變，進而在PZT壓電材料層(10)的上表面和下表面產(chǎn)生電荷。所述磁鐵(3)固定于質(zhì)量塊(5)的上表面，其作用是:①提供磁場配合質(zhì)量塊
(5)、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)調(diào)節(jié)所述MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)的諧振頻率和響應頻帶。所述第一線圈(4)位于磁鐵(3)的上方，并固定于第一玻璃基板(17)的下表面，當磁鐵(3)相對于第一線圈(4)振動時，第一線圈(4)中的磁通量發(fā)生變化，在第一線圈(4)中產(chǎn)生感應電動勢，輸出能量。第一線圈(4)為平面線圈。第一線圈(4)和磁鐵(3)不接觸。所述第二線圈(16)位于質(zhì)量塊(5)的下方，并固定于第二玻璃基板(18)的上表面，當磁鐵(3)相對于第二線圈(16)振動時，第二線圈(16)中的磁通量發(fā)生變化時，在第二線圈(16)中產(chǎn)生感應電動勢，輸出能量。第二線圈(16)為平面線圈。第二線圈(16)和質(zhì)量塊(5)不接觸。所述第一上電極層(7 )和第二上電極層(8 )的作用是收集PZT壓電材料層(10 )上表面產(chǎn)生的電荷。所述下電極層(9)的作用是收集PZT壓電材料層(10)下表面產(chǎn)生的電荷。所述MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的作用是:①當有外界振動作用時，通過質(zhì)量塊(5)和磁鐵(3)產(chǎn)生慣性力作用到第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁
(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)上，使第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)及PZT壓電材料層(10)發(fā)生彎曲變形，根據(jù)壓電效應，在PZT壓電材料層(10)上、下表面產(chǎn)生電荷，實現(xiàn)俘能作用在外界振動作用下，質(zhì)量塊(5)和磁鐵(3)相對于第一線圈(4)和第二線圈(16)發(fā)生振動，第一線圈(4)和第二線圈(16)中的磁通量發(fā)生變化，進而產(chǎn)生電動勢，實現(xiàn)俘能作用。 在制備基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器的過程中，通過優(yōu)化確定每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)中的質(zhì)量塊(5)、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁
(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)以及磁鐵(3)的形狀和尺寸，使每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)分別具有不同的諧振頻率，并且每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的頻響之間有交集，將多個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)組合后，即可實現(xiàn)寬頻帶俘能效果。當所述的基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器工作在設計的較寬頻率范圍內(nèi)時，不同頻率的·振動總能激發(fā)ー個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)工作，達到振動俘能的效果，當工作頻率等于MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的諧振頻率時，俘能效果最佳。當外界振動引起質(zhì)量塊(5)和磁鐵(3)相對于第一線圈(4)和第二線圈(16)發(fā)生振動時，根據(jù)壓電效應和電磁感應定律，第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁
(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)上的PZT壓電材料層(10)以及第ー線圈(4)、第二線圈(16)同時輸出電流、電壓，并且PZT壓電材料層(10)能輸出較大的電壓，而第一線圈(4)和第二線圈
(16)則能產(chǎn)生較大的電流，即通過同一 MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)可同時輸出高電壓和高電流，實現(xiàn)電磁-壓電復合式俘能作用。當PZT壓電材料層(10)的壓電系數(shù)越大、厚度越厚、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)的彎曲變形越大時，輸出的電壓越大；當?shù)谝痪€圈(4)和第二線圈(16)的匝數(shù)越多、電阻越小、磁鐵(3)的剩余磁感應強度越強、第一線圈(4)與磁鐵(3)的間距越小、第二線圈(16)與質(zhì)量塊(5)的間距越小時，輸出的電流越大。同時，當負載電阻和MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)的內(nèi)阻相等時，MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)輸出的功率最大。所述基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器的制備エ藝過程具體為:步驟0:根據(jù)應用需要的頻帶范圍，設計MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的工作頻帶，以及MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)的數(shù)量N，N彡2 ;并確定每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)中質(zhì)量塊(5)、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)以及磁鐵(3)的位置、形狀和尺寸；根據(jù)應用需要的電壓、電流，設計MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)中PZT壓電材料層(10)的厚度，第一線圈(4)和第二線圈(16)的厚度、線寬及線間距；同時設計邊框(I)的尺寸。步驟1:在步驟0操作的基礎上，設計、制作掩膜版，具體為:在一塊完整的硅片上確定出邊框(I)的位置、N個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)的位置以及每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)中質(zhì)量塊(5)、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)和第四結(jié)構(gòu)梁(14)的位置；然后對硅片進行拋光，并對拋光的硅片表面通過氧化形成ニ氧化硅層；步驟2:在經(jīng)過步驟I處理后得到的硅片的上表面上通過濺射エ藝依次制備絕緣層(15)和下電極層(9)；步驟3:在下電極層(9)的上表面通過溶膠-凝膠法制備PZT壓電材料層(10)；步驟4:對PZT壓電材料層進行圖形化處理，保留步驟I所設計的N個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)上的PZT壓電材料層(10)，將硅片上其余部分的PZT壓電材料層(10)去除棹，并在保留下來的PZT壓電材料層(10)上加工焊盤。步驟5:在步驟4操作的基礎上，保留PZT壓電材料層(10)下面的下電極層(9)，去除掉硅片上其余部分的下電極層(9)；步驟6:在步驟5操作的基礎上，保留N個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)和質(zhì)量塊(5)上面的絕緣層(15)，去除掉硅片上其余部分的絕緣層(15)；步驟7:通過濺射エ藝，在每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的每根結(jié)構(gòu)梁上PZT壓電材料層的上表面分別制備第一上電極層(7)和第二上電極層(8);在第二上電極層(8)上加工焊盤。步驟8:保留硅片上的邊框(I )、N個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)和質(zhì)量塊(5)的部分，去除掉硅片的其它部分，并在邊框(I)上加工焊盤。步驟9:在每個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)的質(zhì)量塊(5)上的絕緣層
(15)的上表面分別固定一個磁鐵(3)；步驟10:通過電鍍エ 藝分別在第一玻璃基板(17)上制備N個第一線圈(4)、在第ニ玻璃基板(18)上制備N個第二線圈(16);其中，N個第一線圈(4)分別位于N個磁鐵(3)的上方，N個第二線圈(16)分別位于N個質(zhì)量塊(5)的下方；并分別在第一玻璃基板(17)和第二玻璃基板(18)上加工焊盤。步驟11:將第二玻璃基板(18)固定于管殼(20)中；步驟12:將邊框(I^PNfMEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)固定于管殼(20)中，位于第二玻璃基板(18)的上面，并使N個第二線圈(16)分別位于N個質(zhì)量塊(5)的下方，第二線圈(16)和質(zhì)量塊(5)不接觸。步驟13:將第一玻璃基板(17)粘附于蓋板(2)的下表面；步驟14:將蓋板(2)固定于管殼(20)的上方,并使第一玻璃基板(17)的下表面粘附的N塊第一線圈(4)分別處于N個磁鐵(3)的上方，第一線圈(4)和磁鐵(3)不接觸。至此得到所述基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器。有益效果本發(fā)明提出的基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器與已有的MEMS振動型俘能器相比較，具有以下優(yōu)點:①所述MEMS電磁-壓電復合式寬頻俘能器將線圈材料、壓電材料的制備與MEMSエ藝實現(xiàn)兼容設計，在同一振動單元中實現(xiàn)能量的雙轉(zhuǎn)化模式且成本較低。②所述基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器具有寬頻帶俘能效果，并同時能輸出較大電壓和較大電流。


圖1為本發(fā)明具體實施例中的封裝管殼和蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；其中，2—蓋板；17—第一玻璃基板；20—管殼。圖2為本發(fā)明具體實施例中5個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元的結(jié)構(gòu)示意圖；I一邊框；3—磁鐵；7—第一上電極層；8—第二上電極層；11—MEMS電磁-壓電復合式俘能單元。圖3為圖2的A-A'剖面示意圖；其中，5—質(zhì)量塊。圖4為本發(fā)明具體實施例中5個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元排布示意圖；圖5為本發(fā)明具體實施例中第二線圈和第二玻璃基板上視圖；其中，16—第二線圈；18—第二玻璃基板。圖6為本發(fā)明具體實施例中MEMS電磁-壓電復合式俘能單元的上視圖；圖7為本發(fā)明具體實施例中MEMS電磁-壓電復合式俘能單元的底視圖；其中，6—第一結(jié)構(gòu)梁；12—第二結(jié)構(gòu)梁；13—第三結(jié)構(gòu)梁；14一第四結(jié)構(gòu)梁；圖8為圖6的B-B'剖面示意圖以及該剖面對應第一玻璃基板和第二玻璃基板的刨面圖。其中，4一第一線圈；9—下電極層；10—PZT壓電材料層；14一第四結(jié)構(gòu)梁；15—絕緣層。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明技術(shù)方案做詳細描述?；贛EMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，包括:邊框1、5個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11、管殼20、蓋板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固定于蓋板2的下表面，第一玻璃基板17上布置引線及焊盤。所述焊盤的作用是實現(xiàn)與外接負載的電氣連接。所述蓋板2蓋在管殼20的上面,如圖1所不。邊框I固定于管殼20的內(nèi)部,MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11固定于邊框I內(nèi)。管殼20和蓋板2的作用是封裝邊框1、全部MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11、第一玻璃基板及第ニ玻璃基板，對邊框1、MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11、第一玻璃基板及第ニ玻璃基板起保護作用。所述邊框I的作用是:①固定并支撐全部MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11 ； 布置引線及焊盤。所述第二玻璃基板18固定于在管殼20內(nèi)，位于邊框I及全部MEMS電磁_壓電復合式俘能単元11的下方，第二玻璃基板18與MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11之間有一定間隙。第二玻璃基板18上布置引線及焊盤。所述5個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11位于同一平面并且等間距排布于邊框I的內(nèi)部，如圖4所示。5個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11單獨工作。所述MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11的結(jié)構(gòu)如圖2、圖3、圖6、圖7、圖8所示，包括:磁鐵3、第一線圈4、質(zhì)量塊5、第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14、第一上電極層7、第二上電極層8、下電極層9、PZT壓電材料層10、絕緣層15、第二線圈16。所述質(zhì)量塊5為長方體。所述第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14以質(zhì)量塊5為中心，對稱分布在質(zhì)量塊5兩側(cè)，每側(cè)的兩根結(jié)構(gòu)梁平行排布，每根結(jié)構(gòu)梁的一端與邊框I固定連接，另一端與質(zhì)量塊5固定連接；第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14的形狀、長度、寬度、厚度相同。質(zhì)量塊5的上表面與第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14的上表面位于同一水平面。所述質(zhì)量塊5和第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14的作用是:①在確定了質(zhì)量塊5、第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14以及磁鐵3的形狀和尺寸以后，即確定了所述MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11的諧振頻率和響應頻帶質(zhì)量塊5支撐磁鐵3，當有外界振動信號吋，質(zhì)量塊5和磁鐵3進行振動。所述第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14和質(zhì)量塊5的上表面制備絕緣層15 ;然后在第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14上絕緣層15的上表面上制備下電極層9 ;下電極層9通過引線與邊框I上焊盤連接。下電極層9的上表面制備PZT壓電材料層10 ;PZT壓電材料層10的上表面制備第一上電極層7和第二上電極層8，第一上電極層7和第二上電極層8之間有一定間隙。所述PZT壓電材料層10上有焊盤。所述第二上電極層8上有焊盤。所述第一上電極層7通過引線與PZT壓電材料層10上的焊盤連接。所述第二上電極層8通過引線與其自身上的焊盤連接。所述PZT壓電材料層10的作用是:當質(zhì)量塊5和磁鐵3振動時，引起第一結(jié)構(gòu)梁
6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14和PZT壓電材料層10彎曲變形，導致PZT壓電材料層10中產(chǎn)生應力、應變，進而在PZT壓電材料層10的上表面和下表面產(chǎn)生電荷。所述磁鐵3固定于質(zhì)量塊5的上表面，其作用是:①提供磁場配合質(zhì)量塊5、第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14調(diào)節(jié)所述MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11的諧振頻率和響應頻帯。所述第一線圈4位于磁鐵3的上方,并固定于第一玻璃基板17的下表面，當磁鐵3相對于第一線圈4振動時，第一線圈4中的磁通量發(fā)生變化時，在第一線圈4中產(chǎn)生感應電動勢，輸出能量。第一線圈4為平面線圈。第一線圈4和磁鐵3之間有一定間隙。所述第二線圈16位于磁鐵3和質(zhì)量塊5的下方，并固定于第二玻璃基板18的上表面，如圖5所示。當磁鐵3相對于第二線圈16振動時，第二線圈16中的磁通量發(fā)生變化時，在第二線圈16中產(chǎn)生感應電動勢，輸出能量。第二線圈16為平面線圈。第二線圈16和質(zhì)量塊5之間有一定間隙。所述第一上電極層7和第二上電極層8的作用是收集PZT壓電材料層10上表面產(chǎn)生的電荷。所述下電極層9的作用是收集PZT壓電材料層10下表面產(chǎn)生的電荷。所述MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11的作用是:①當有外界振動作用時，通過質(zhì)量塊5和磁鐵3產(chǎn)生慣性力作用到第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14上，使第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14及PZT壓電材料層10發(fā)生彎曲變形，根據(jù)壓電效應，在PZT壓電材料層10上、下表面產(chǎn)生電荷，實現(xiàn)俘能作用在外界振動作用下，質(zhì)量塊5和磁鐵3相對于第一線圈4和第二線圈16發(fā)生振動，第ー線圈4和第二線圈16中的磁通量發(fā)生變化，進而產(chǎn)生電動勢，實現(xiàn)俘能作用。所述基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器的制備エ藝過程具體為:步驟0:根據(jù)應用需要的頻帶范圍130Hz到250Hz，設計MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11的工作頻帶為130Hz到250Hz，以及MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11的數(shù)量為5 ;確定姆個MEMS電磁-壓電復合式俘能單兀11中質(zhì)量塊5、第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14以及磁鐵3的位置、形狀和尺寸；根據(jù)應用需要的電壓、電流，設計MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11中PZT壓電材料層10的厚度，第一線圈4和第二線圈16的厚度、線寬及線間距；同時設計邊框I的尺寸。其中，第一個MEMS電磁-壓電復合式俘能單兀11中質(zhì)量塊5為長方體(長:1.5mm ；寬:1.5mm;厚:100 iim)，第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14均為長方體(長:2mm ;寬:300 ii m ;厚:10 y m),磁鐵3為長方體(長:1.5mm ;寬:1.5mm ;厚:1mm)；根據(jù)應用需要的最大電壓是1.2V、最大電流是50 u A，設計第一個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11中PZT壓電材料層10的厚度為2 u m,第一線圈4和第二線圈16的厚度為5 Pm;線寬為IOiim;線間距為10 iim，第一線圈4和第二線圈16的材料為銅。第一個MEMS電磁-壓電復合式俘能單兀11的諧振頻率為150Hz,最大輸出電壓可達3.25V,最大輸出電流為75 u A0第二個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11中質(zhì)量塊5為長方體(長:1.5mm;寬:1.5mm;厚:IOOy m)，第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14均為長方體(長:2mm ;寬:400 ii m ;厚:10 y m),磁鐵3為長方體(長:1.5mm ;寬:1.5mm ;厚:1mm);根據(jù)應用需要的最大電壓是1.2V、最大電流是50 u A，設計第二個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11中PZT壓電材料層10的厚度為2 u m，第一線圈4和第二線圈16的厚度為5 y m ;線寬為IOiim ;線間距為10 iim，第一線圈4和第二線圈16的材料為銅。第二個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11的諧振頻率為172Hz，最大輸出電壓可達2.44V，最大輸出電流為 86 u A。第三個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11中質(zhì)量塊5為長方體(長:1.5mm ;寬:1.5mm;厚:100 ym)，第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14均為長方體(長:2_ ;寬:500 U m ;厚:10 ii m),磁鐵3為長方體(長:1.5mm ;寬:1.5mm ;厚:1mm);根據(jù)應用需要的最大電壓是1.2V、最大電流是50 u A，設計第三個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11中PZT壓電材料層10的厚度為2 u m，第一線圈4和第二線圈16的厚度為5 y m ;線寬為IOiim;線間距為10 iim，第一線圈4和第二線圈16的材料為銅。第三個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11的諧振頻率為192Hz，最大輸出電壓可達1.95V，最大輸出電流為 96 u A。第四個MEMS電磁-壓電復合式俘能單兀11中質(zhì)量塊5為長方體(長:1.5mm ;寬:
1.5mm;厚:IOOy m)，第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14均為長方體(長:2mm ;寬:600 ii m ;厚:10 y m),磁鐵3為長方體(長:1.5mm ;寬:1.5mm ;厚:1mm);根據(jù)應用需要的最大電壓是1.2V、最大電流是50 u A，設計第四個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11中PZT壓電材料層10的厚度為2 u m，第一線圈4和第二線圈16的厚度為5 y m ;線寬為IOiim;線間距為IOii m，第一線圈4和第二線圈16的材料為銅。第四個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11的諧振頻率為211Hz，最大輸出電壓可達1.63V，最大輸出電流為 104u A0第五個MEMS電磁-壓電復合式俘能單兀11中質(zhì)量塊5為長方體(長:1.5mm ;寬:
1.5mm;厚:IOOy m)，第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14均為長方體(長:2mm ;寬:700 ii m ;厚:10 y m),磁鐵3為長方體(長:1.5mm ;寬:1.5mm ;厚:1mm);根據(jù)應用需要的最大電壓是1.2V、最大電流是50 u A,設計第五個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11中PZT壓電材料層10的厚度為2 u m，第一線圈4和第二線圈16的厚度為5 y m ;線寬為10 ii m ;線間距為10 V- m,第一線圈4和第二線圈16的材料為銅。第五個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11的諧振頻率為230Hz，最大輸出電壓可達1.39V，最大輸出電流為 114 u A。邊框I為正方形，長為8mm,寬為8mm,厚為0.4mm。步驟1:在步驟0操作的基礎上，設計、制作掩膜版，具體為:在一塊完整的硅片上確定出邊框I的位置、5個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11的位置以及每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11中質(zhì)量塊5、第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13和第四結(jié)構(gòu)梁14的位置；然后對硅片進行拋光，并對拋光的硅片表面通過氧化形成ニ氧化硅層；步驟2:在經(jīng)過步驟I處理后得到的硅片的上表面上通過濺射エ藝依次制備絕緣層15和下電極層9 ；步驟3:在下電極層9的上表面通過溶膠-凝膠法制備PZT壓電材料層10 ；步驟4:對PZT壓電材料層進行圖形化處理，保留步驟I所設計的5個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11的第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14上的PZT壓電材料層10，將硅片上其余部分的PZT壓電材料層10去除掉，并在保留下來的PZT壓電材料層10上加工焊盤。步驟5:在步驟4操作的基礎上，保留PZT壓電材料層10下面的下電極層9，去除掉硅片上其余部分的下電極層9 ；步驟6:在步驟5操作的基礎上，保留5個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11的第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14和質(zhì)量塊5上面的絕緣層15，去除掉硅片上其余部分的絕緣層15 ；步驟7:通過濺射エ藝，在每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元11的每根結(jié)構(gòu)梁上PZT壓電材料層的上表面分別制備第一上電極層7和第二上電極層8 ;在第二上電極層8上加工焊盤。步驟8:保留硅片上的邊框1、5個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11的第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14和質(zhì)量塊5的部分，去除掉硅片的其它部分，并在邊框I上加工焊盤。步驟9:在每個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11的質(zhì)量塊5上的絕緣層15的上表面分別固定一個磁鐵3 ；步驟10:通過電鍍エ藝分別在第一玻璃基板17上制備5個第一線圈4、在第二玻璃基板18上制備5個第二線圈16 ;其中，5個第一線圈4分別位于5個磁鐵3的上方，5個第二線圈16分別位于5個質(zhì)量塊5的下方；并分別在第一玻璃基板17和第二玻璃基板18上加工焊盤。步驟11:將第二玻璃基板18固定于管殼20中；步驟12:將邊框I和5個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11固定于管殼20中，位于第二玻璃基板18的上面，并使5個第二線圈16分別位于5個質(zhì)量塊5的下方，第二線圈16和質(zhì)量塊5不接觸。步驟13:將第一玻璃基板17粘附于蓋板2的下表面；步驟14:將蓋板2固定于管殼20的上方,并使第一玻璃基板17的下表面粘附的5塊第一線圈4分別處于5個磁鐵3的上方，第一線圈4和磁鐵3不接觸。至此得到所述基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器。
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，其特征在于:其包括:邊框(1)、2個以上的MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)、管殼(20)、蓋板(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)固定于蓋板(2)的下表面，第一玻璃基板(17)上布置引線及焊盤；所述焊盤的作用是實現(xiàn)與外接負載的電氣連接； 所述蓋板(2)蓋在管殼(20)的上面，邊框(I)固定于管殼(20)的內(nèi)部，所述2個以上的MEMS電磁-壓電復合式俘能單兀(11)固定于邊框(I)內(nèi)，并且MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)與管殼(20)的底面不接觸；管殼(20)和蓋板(2)的作用是封裝邊框(I)、全部MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)、第一玻璃基板及第ニ玻璃基板，對邊框(I )、MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11 )、第一玻璃基板(17)及第ニ玻璃基板(18)起保護作用；所述邊框(I)為長方形或正方形邊框，其作用是:①固定并支撐全部MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11) 布置引線及焊盤；所述焊盤的作用是實現(xiàn)與外接負載的電氣連接； 所述第二玻璃基板(18)固定于在管殼(20)內(nèi)，位于邊框(I)及MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)的下方，第二玻璃基板(18)與MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)不接觸；第二玻璃基板(18)上布置引線及焊盤； 所述MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)包括:磁鐵(3)、第一線圈(4)、質(zhì)量塊(5)、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)、第一上電極層(7)、第二上電極層(8)、下電極層(9)、PZT (鋯鈦酸鉛)壓電材料層(10)、絕緣層(15)、第二線圈(16)； 所述質(zhì)量塊(5)為正方體或長方體； 所述第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)和第四結(jié)構(gòu)梁(14)以質(zhì)量塊(5)為中心，對稱分布在質(zhì)量塊(5`)的兩側(cè)，質(zhì)量塊(5)每側(cè)的兩根結(jié)構(gòu)梁平行排布，并且每根結(jié)構(gòu)梁的一端與邊框(I)固定連接，另一端與質(zhì)量塊(5)固定連接；第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)和第四結(jié)構(gòu)梁(14)的形狀和尺寸相同；質(zhì)量塊(5)的上表面與第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)的上表面位于同一水平面； 所述質(zhì)量塊(5)和第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)的作用是:①在確定了質(zhì)量塊(5)、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)以及磁鐵(3)的形狀和尺寸以后，即確定了所述MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的諧振頻率和響應頻帶質(zhì)量塊(5)支撐磁鐵(3)，當有外界振動信號時，質(zhì)量塊(5 )和磁鐵(3 )進行振動； 所述第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)和質(zhì)量塊(5)的上表面上是絕緣層(15);第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)和第四結(jié)構(gòu)梁(14)上的絕緣層(15)的上表面上是下電極層(9);下電極層(9)通過引線與邊框(I)上焊盤連接；下電極層(9)的上表面上是PZT壓電材料層(10) ;PZT壓電材料層(10)的上表面上是第一上電極層(7)和第二上電極層(8)，第一上電極層(7)和第二上電極層(8)之間有一定間隙； 所述PZT壓電材料層(10)的作用是:當質(zhì)量塊(5)和磁鐵(3)振動時，引起第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)和PZT壓電材料層(10)彎曲變形，導致PZT壓電材料層(10)中產(chǎn)生應力、應變，進而在PZT壓電材料層(10)的上表面和下表面產(chǎn)生電荷； 所述磁鐵(3)固定于質(zhì)量塊(5)的上表面，其作用是:①提供磁場配合質(zhì)量塊(5)、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)調(diào)節(jié)所述MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)的諧振頻率和響應頻帶； 所述第一線圈(4)位于磁鐵(3)的上方,并固定于第一玻璃基板(17)的下表面，當磁鐵(3)相對于第一線圈(4)振動時，第一線圈(4)中的磁通量發(fā)生變化，在第一線圈(4)中產(chǎn)生感應電動勢，輸出能量；第一線圈(4)和磁鐵(3)不接觸； 所述第二線圈(16)位于質(zhì)量塊(5)的下方，并固定于第二玻璃基板(18)的上表面，當磁鐵(3)相對于第二 線圈(16)振動時，第二線圈(16)中的磁通量發(fā)生變化時，在第二線圈(16)中產(chǎn)生感應電動勢，輸出能量；第二線圈(16)和質(zhì)量塊(5)不接觸； 所述第一上電極層(7 )和第二上電極層(8 )的作用是收集PZT壓電材料層(10 )上表面產(chǎn)生的電荷； 所述下電極層(9 )的作用是收集PZT壓電材料層(10 )下表面產(chǎn)生的電荷； 所述MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的作用是:①當有外界振動作用時，通過質(zhì)量塊(5)和磁鐵(3)產(chǎn)生慣性力作用到第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)上，使第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)及PZT壓電材料層(10)發(fā)生彎曲變形，根據(jù)壓電效應，在PZT壓電材料層(10)上、下表面產(chǎn)生電荷，實現(xiàn)俘能作用在外界振動作用下，質(zhì)量塊(5)和磁鐵(3)相對于第一線圈(4)和第二線圈(16)發(fā)生振動，第一線圈(4)和第二線圈(16)中的磁通量發(fā)生變化，進而產(chǎn)生電動勢，實現(xiàn)俘能作用； 在制備基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器的過程中，通過優(yōu)化確定每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)中的質(zhì)量塊(5)、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)以及磁鐵(3)的形狀和尺寸，使每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)分別具有不同的諧振頻率，并且每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的頻響之間有交集，將多個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)組合后，即可實現(xiàn)寬頻帶俘能效果； 當所述的基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器工作在設計的較寬頻率范圍內(nèi)時，不同頻率的振動總能激發(fā)ー個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)工作，達到振動俘能的效果，當工作頻率等于MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的諧振頻率時，俘能效果最佳； 當外界振動引起質(zhì)量塊(5)和磁鐵(3)相對于第一線圈(4)和第二線圈(16)發(fā)生振動時，根據(jù)壓電效應和電磁感應定律，第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)上的PZT壓電材料層(10)以及第ー線圈(4)、第二線圈(16)同時輸出電流、電壓，并且PZT壓電材料層(10)能輸出較大的電壓，而第一線圈(4)和第二線圈(16)則能產(chǎn)生較大的電流，即通過同一 MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)可同時輸出高電壓和高電流，實現(xiàn)電磁-壓電復合式俘能作用；當PZT壓電材料層(10 )的壓電系數(shù)越大、厚度越厚、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)的彎曲變形越大時，輸出的電壓越大；當?shù)谝痪€圈(4)和第二線圈(16)的匝數(shù)越多、電阻越小、磁鐵(3)的剩余磁感應強度越強、第一線圈(4)與磁鐵(3)的間距越小、第二線圈(16)與質(zhì)量塊(5)的間距越小時，輸出的電流越大；同時，當負載電阻和MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的內(nèi)阻相等吋，MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)輸出的功率最大。
2.如權(quán)利要求1所述的ー種基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，其特征在于:所述2個以上的MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)位于同一平面并且等間距排布于邊框(I)的內(nèi)部。
3.如權(quán)利要求1或2所述的ー種基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，其特征在于:所述2個以上的MEMS壓電-電磁復合式俘能単元(11)可以單獨工作，也可以將部分或全部的MEMS壓電-電磁復合式俘能単元(11)串聯(lián)或并聯(lián)后一起工作；當單個MEMS壓電-電磁復合式俘能單元(11)能夠滿足頻帶需要吋，MEMS壓電-電磁復合式俘能単元(11)可単獨工作；當需要提供高輸出電壓時，將部分或全部的MEMS壓電-電磁復合式俘能単元(11)做串聯(lián)連接；當需要提供高輸出電流時，將部分或全部的MEMS壓電-電磁復合式俘能単元(11)做并聯(lián)連接。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的ー種基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，其特征在干:所述第一線圈(4)和第二線圈(16)為平面線圈。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的一種基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，其特征在于:所述PZT壓電材料層(10)上有焊盤。
6.如權(quán)利要求1至5之一所述的一種基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，其特征在于:所述第二上電極層(8)上有焊盤。
7.如權(quán)利要求1至6之一所述的一種基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，其特征在于:所述第一上電極層(7)通過引線與PZT壓電材料層(10)上的焊盤連接或與邊框(I)上的焊盤連接。`
8.如權(quán)利要求6至7之一所述的一種基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，其特征在于:所述第二上電極層(8)通過引線與其自身上的焊盤或邊框(I)上的焊盤連接。
9.如權(quán)利要求1至8之一所述的ー種基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，其特征在于:所述基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器的制備エ藝過程具體為: 步驟0:根據(jù)應用需要的頻帶范圍，設計MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的エ作頻帶，以及MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)的數(shù)量N，N彡2 ;并確定每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)中質(zhì)量塊(5)、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)以及磁鐵(3)的位置、形狀和尺寸；根據(jù)應用需要的電壓、電流，設計MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)中PZT壓電材料層(10)的厚度，第一線圈(4)和第二線圈(16)的厚度、線寬及線間距；同時設計邊框(I)的尺寸； 步驟1:在步驟0操作的基礎上，設計、制作掩膜版，具體為:在一塊完整的硅片上確定出邊框(I)的位置、N個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元(11)的位置以及每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)中質(zhì)量塊(5)、第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)和第四結(jié)構(gòu)梁(14)的位置；然后對硅片進行拋光，并對拋光的硅片表面通過氧化形成ニ氧化硅層； 步驟2:在經(jīng)過步驟I處理后得到的硅片的上表面上通過濺射エ藝依次制備絕緣層(15)和下電極層(9)； 步驟3:在下電極層(9)的上表面通過溶膠-凝膠法制備PZT壓電材料層(10)； 步驟4:對PZT壓電材料層進行圖形化處理，保留步驟I所設計的N個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)上的PZT壓電材料層(10)，將硅片上其余部分的PZT壓電材料層(10)去除棹，并在保留下來的PZT壓電材料層(10)上加工焊盤； 步驟5:在步驟4操作的基礎上，保留PZT壓電材料層(10)下面的下電極層(9)，去除掉硅片上其余部分的下電極層(9)； 步驟6:在步驟5操作的基礎上，保留N個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)和質(zhì)量塊(5)上面的絕緣層(15)，去除掉硅片上其余部分的絕緣層(15)；步驟7:通過濺射エ藝，在每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的每根結(jié)構(gòu)梁上PZT壓電材料層的上表面分別制備第一上電極層(7 )和第二上電極層(8 );在第二上電極層(8)上加工焊盤； 步驟8:保留硅片上的邊框(I )、N個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的第一結(jié)構(gòu)梁(6)、第二結(jié)構(gòu)梁(12)、第三結(jié)構(gòu)梁(13)、第四結(jié)構(gòu)梁(14)和質(zhì)量塊(5)的部分，去除掉硅片的其它部分，并在邊框(I)上加工焊盤； 步驟9:在每個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)的質(zhì)量塊(5)上的絕緣層(15)的上表面分別固定一個磁鐵(3)； 步驟10:通過電鍍エ藝分別在第一玻璃基板(17)上制備N個第一線圈(4)、在第二玻璃基板(18)上制備N個第二線圈(16);其中，N個第一線圈(4)分別位于N個磁鐵(3)的上方，N個第二線圈(16)分別位于N個質(zhì)量塊(5)的下方；并分別在第一玻璃基板(17)和第ニ玻璃基板(18)上加工焊盤； 步驟11:將第二玻璃基板(18)固定于管殼(20)中； 步驟12:將邊框(I)和N個MEMS電磁-壓電復合式俘能単元(11)固定于管殼(20 )中，位于第二玻璃基板(18)的上面，并使N個第二線圈(16)分別位于N個質(zhì)量塊(5)的下方，第二線圈(16)和質(zhì)量塊(5)不接觸； 步驟13:將第一玻璃基板(17)粘附于蓋板(2)的下表面； 步驟14:將蓋板(2)固定于管殼(20)的上方，并使第一玻璃基板(17)的下表面粘附的N塊第一線圈(4)分別處于N個磁鐵(3)的上方，第一線圈(4)和磁鐵(3)不接觸；至此得到所述基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，屬于微機電系統(tǒng)領(lǐng)域。其包括邊框1、2個以上的MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11、管殼20、蓋板2、第一玻璃基板17和第二玻璃基板18。MEMS電磁-壓電復合式俘能單元11包括磁鐵3、第一線圈4、質(zhì)量塊5、第一結(jié)構(gòu)梁6、第二結(jié)構(gòu)梁12、第三結(jié)構(gòu)梁13、第四結(jié)構(gòu)梁14、第一上電極層7、第二上電極層8、下電極層9、PZT壓電材料層10、絕緣層15、第二線圈16。本發(fā)明提出的俘能器與已有MEMS振動型俘能器相比較，具有以下優(yōu)點①將線圈材料、壓電材料的制備與MEMS工藝實現(xiàn)兼容設計，且成本較低。②具有寬頻帶俘能效果，并同時能輸出較大電壓和較大電流。
文檔編號B81B3/00GK103107739SQ20131006440
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者李平, 高世橋, 金磊, 牛少華, 劉海鵬, 姚峰林 申請人:北京理工大學