靜電式振動能量采集器及其制備方法技術

一種靜電式振動能量采集器，包括變間距式可變電容結構以及偏置電壓生成裝置；變間距式可變電容結構包括固定極板和運動極板；固定極板包括第一基體和第一電極層；第一基體上開設有凹槽；第一電極層形成于第一基體上開設有凹槽的一面；運動極板與固定極板相對設置；運動極板包括支撐構件、運動質量塊和第二電極層；支撐構件用于支撐運動質量塊并使得運動質量塊位于凹槽上方；運動質量塊上與凹槽相對的一面和凹槽內至少有一處設置有凸點；偏置電壓生成裝置用于生成偏置電壓以在固定極板和運動極板之間形成固定電場。上述靜電式振動能量采集器的結構簡單且穩定性較好。本發明專利技術還涉及一種靜電式振動能量采集器的制備方法。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及能量采集
，特別是涉及一種靜電式振動能量采集器及其制備方法。
技術介紹
能量采集技術作為一種新型的供電方式，通過能量采集器將隨處可見的再生能源，如機械振動、風能、太陽能、熱能、核能等轉換為電能，并結合相匹配的電源管理電路，為負載提供電能。振動式能量采集器是能量采集器中的一種，它可以將自然界普遍存在的機械振動能量轉換為電能，進而不間斷地為各種低功耗電子元件或者微系統供電。傳統的靜電式振動能量采集器的結構較為復雜且穩定性較差，不適合大規模低成本生產。
技術實現思路
基于此，有必要提供一種結構簡單且穩定性較好的靜電式振動能量采集器及其制備方法。一種靜電式振動能量采集器，包括變間距式可變電容結構以及偏置電壓生成裝置；所述變間距式可變電容結構包括固定極板和運動極板；所述固定極板包括第一基體和第一電極層；所述第一基體上開設有凹槽；所述第一電極層形成于所述第一基體上開設有凹槽的一面；所述運動極板與所述固定極板相對設置；所述運動極板包括支撐構件、運動質量塊和第二電極層；所述支撐構件與所述第一基體連接；所述支撐構件用于支撐所述運動質量塊并使得所述運動質量塊位于所述凹槽上方；所述第二電極層形成于所述運動極板上與所述固定極板相對的一面；所述運動質量塊上與所述凹槽相對的一面和所述凹槽內至少有一處設置有凸點；所述偏置電壓生成裝置用于生成偏置電壓以在固定極板和運動極板之間形成固定電場。在其中一個實施例中，所述第一基體、所述支撐構件和所述運動質量塊均
由硅基材料制成。在其中一個實施例中，所述偏置電壓生成裝置為駐極體；所述駐極體覆蓋在所述第一電極層表面；所述駐極體上存在電荷分布從而為所述變間距式可變電容結構提供偏置電壓。在其中一個實施例中，所述支撐構件包括支撐主體和懸臂梁結構；所述支撐主體為中空結構，用于放置所述運動質量塊；所述懸臂梁結構分別與所述支撐主體、所述運動質量塊連接。在其中一個實施例中，所述第一基體的凹槽內設置有多個凸點；所述運動質量塊上對應位置處同樣設置有凸點；所述運動質量塊上的凸點在所述運動質量塊不受外力時不與所述第一基體上的凸點接觸。一種靜電式振動能量采集器的制備方法，包括步驟：制備固定極板；所述固定極板包括第一基體和第一電極層；所述第一基體上開設有凹槽；所述第一電極層形成于所述第一基體上開設有凹槽的一面；制備運動極板；所述運動極板包括支撐構件、運動質量塊和第二電極層；所述支撐構件用于支撐所述運動質量塊；所述第二電極層形成于所述運動極板上與所述固定極板相對的一面；所述運動質量塊上與所述凹槽相對的一面和所述凹槽內至少有一處設置有凸點；提供偏置電壓以在固定極板和運動極板之間形成固定電場；以及將所述固定極板與所述運動極板相對設置并固定連接；所述支撐構件與所述第一基體連接；所述運動質量塊在所述支撐構件的支撐作用下位于所述凹槽的上方。在其中一個實施例中，所述制備方法均采用MEMS微加工工藝來制備；所述第一基體、所述支撐構件和所述運動質量塊均由硅基材料制成。在其中一個實施例中，所述制備固定電極的步驟包括：提供雙面形成有二氧化硅層的晶片；在所述晶片雙面形成光刻膠，并對晶片正面的光刻膠進行光刻以獲得結構圖形；以所述光刻膠為掩膜層，對所得的結構圖形進行濕化學刻蝕，以去除晶片正面裸露的二氧化硅層后將光刻膠去除，形成由二氧化硅組成的結構圖形；以二氧化硅為掩膜層，對所得的結構圖形進行濕化學刻蝕，刻蝕單晶硅得到凸點；采用等離子體干法刻蝕工藝去除凸點表面的二氧化硅層；以二氧化硅層為掩膜層，刻蝕單晶硅形成凹槽；在所述晶片的凹槽所在面形成一
層金屬層作為第一電極層。在其中一個實施例中，所述提供偏置電壓以在固定極板和運動極板之間形成固定電場的步驟包括：在所述第一電極層表面形成一層駐極體；對所述駐極體進行充電以使得所述駐極體上存在電荷分布。在其中一個實施例中，所述制備運動極板的步驟包括：提供雙面形成有二氧化硅層的晶片；在所述晶片雙面形成光刻膠，并對晶片正面的光刻膠進行光刻以獲得結構圖形；以所述光刻膠為掩膜層，對所得的結構圖形進行濕化學刻蝕，以去除晶片正面裸露的二氧化硅層后將光刻膠去除，形成由二氧化硅組成的結構圖形；以二氧化硅為掩膜層，對所得的結構圖形進行濕化學刻蝕，刻蝕單晶硅直至剩余單晶硅的厚度達到目標厚度；在所述晶片反面形成光刻膠，并進行刻蝕以獲得結構圖形；以光刻膠為掩膜層，采用等離子體干法刻蝕的方法，去除晶片反面裸露的二氧化硅層，并去除所述光刻膠；以二氧化硅為掩膜層，對晶片正面和反面同時進行濕化學刻蝕，刻穿所述晶片從而形成支撐構件和運動質量塊，并形成與固定極板上的凸點對應的凸點；在有凸點的一側形成一層金屬層作為第二電極層。上述靜電式振動能量采集器包括變間距可變電容結構，該變間距可變電容結構包括固定極板和運動極板。其中，固定極板包括第一基體和第一電極層，運動極板則包括支撐構件、運動質量塊以及第二電極層，整體結構較為簡單，有利于大規模低成本生產。并且，運動質量塊上與所述凹槽相對的一面和第一基體的凹槽內至少有一處設置有凸點，凸點能夠起到防靜電吸附作用，從而避免器件工作時，由于靜電吸附作用導致固定極板與運動極板粘附在一起無法分開而損壞器件的情況發生，器件性能較為穩定，有利于延長器件的使用壽命。附圖說明圖1為一實施例中的靜電式振動能量采集器的軸測圖；圖2為圖1中的靜電式振動能量采集器的軸測剖視圖；圖3為圖1中的靜電式振動能量采集器的剖視圖；圖4為圖1中的固定極板的結構示意圖；圖5為圖1中的運動極板的結構示意圖；圖6為一實施例中的靜電式振動能量采集器的制備方法的流程圖；圖7為圖6中步驟S610的具體流程圖；圖8a～8h為與圖7中的制備流程對應的器件的結構示意圖；圖9為圖6中步驟S620的具體流程圖；圖10a～10h為與圖9中的制備流程對應的器件的結構示意圖；圖11為一實施例中的靜電式振動能量采集器的測試電路示意圖；圖12為一實施例中的靜電式振動能量采集器工作時最佳負載電阻的測試曲線；圖13為一實施例中的靜電式振動能量采集器在外部負載阻值是8.5MΩ時，正弦驅動信號頻率從245Hz到305Hz變化時的輸出功率變化曲線；圖14為一實施例中的靜電式振動能量采集器在外部驅動信號為隨機信號時，測試帶通(272±12.5Hz)情況下的輸出功率變化圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。一種靜電式振動能量采集器，能夠將振動能量轉換為電能進行存儲或者向外供電。一實施例中的靜電式振動能量采集器采用變間距式可變電容結構，其包括固定極板100、運動極板200以及偏置電壓生成裝置(圖1中未示)，如圖1所示。圖2作為該靜電式振動能量采集器的軸測剖視圖；圖3為該靜電式振動能量采集器的剖視圖；圖4為固定極板100的結構示意圖，圖5為運動極板200的結構示意圖。下面結合圖1～圖5對本實施例中的靜電式振動能量采集器做詳細說明。固定極板100包括第一基體110和第一電極層120。在本實施例中，第一基體110為硅基材料制備而成，包括晶向為(100)的單晶硅310，以及形成于單晶硅310雙面的二氧化硅層320本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種靜電式振動能量采集器，其特征在于，包括變間距式可變電容結構以及偏置電壓生成裝置；所述變間距式可變電容結構包括固定極板和運動極板；所述固定極板包括第一基體和第一電極層；所述第一基體上開設有凹槽；所述第一電極層形成于所述第一基體上開設有凹槽的一面；所述運動極板與所述固定極板相對設置；所述運動極板包括支撐構件、運動質量塊和第二電極層；所述支撐構件與所述第一基體連接；所述支撐構件用于支撐所述運動質量塊并使得所述運動質量塊位于所述凹槽上方；所述第二電極層形成于所述運動極板上與所述固定極板相對的一面；所述運動質量塊上與所述凹槽相對的一面和所述凹槽內至少有一處設置有凸點；所述偏置電壓生成裝置用于生成偏置電壓以在固定極板和運動極板之間形成固定電場。

【技術特征摘要】
1.一種靜電式振動能量采集器，其特征在于，包括變間距式可變電容結構以及偏置電壓生成裝置；所述變間距式可變電容結構包括固定極板和運動極板；所述固定極板包括第一基體和第一電極層；所述第一基體上開設有凹槽；所述第一電極層形成于所述第一基體上開設有凹槽的一面；所述運動極板與所述固定極板相對設置；所述運動極板包括支撐構件、運動質量塊和第二電極層；所述支撐構件與所述第一基體連接；所述支撐構件用于支撐所述運動質量塊并使得所述運動質量塊位于所述凹槽上方；所述第二電極層形成于所述運動極板上與所述固定極板相對的一面；所述運動質量塊上與所述凹槽相對的一面和所述凹槽內至少有一處設置有凸點；所述偏置電壓生成裝置用于生成偏置電壓以在固定極板和運動極板之間形成固定電場。2.根據權利要求1所述的靜電式振動能量采集器，其特征在于，所述第一基體、所述支撐構件和所述運動質量塊均由硅基材料制成。3.根據權利要求1所述的靜電式振動能量采集器，其特征在于，所述偏置電壓生成裝置為駐極體；所述駐極體覆蓋在所述第一電極層表面；所述駐極體上存在電荷分布從而為所述變間距式可變電容結構提供偏置電壓。4.根據權利要求1所述的靜電式振動能量采集器，其特征在于，所述支撐構件包括支撐主體和懸臂梁結構；所述支撐主體為中空結構，用于放置所述運動質量塊；所述懸臂梁結構分別與所述支撐主體、所述運動質量塊連接。5.根據權利要求1所述的靜電式振動能量采集器，其特征在于，所述第一基體的凹槽內設置有多個凸點；所述運動質量塊上對應位置處同樣設置有凸點；所述運動質量塊上的凸點在所述運動質量塊不受外力時不與所述第一基體上的凸點接觸。6.一種靜電式振動能量采集器的制備方法，包括步驟：制備固定極板；所述固定極板包括第一基體和第一電極層；所述第一基體上開設有凹槽；所述第一電極層形成于所述第一基體上開設有凹槽的一面；制備運動極板；所述運動極板包括支撐構件、運動質量塊和第二電極層；
\t所述支撐構件用于支撐所述運動質量塊；所述第二電極層形成于所述運動極板上與所述固定極板相對的一面；所述運動質量塊上與所述凹槽相對的一面和所述凹槽內至少有一處設置有凸點；提供偏置電壓以在固定極板和運動極板之間形...

【專利技術屬性】
技術研發人員：汪飛，張玉龍，
申請(專利權)人：南方科技大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44