专利名称：微型电磁式宽频带振动能量采集器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及的是一种微机电系统领域的装置，具体是一种微型电磁式宽频带振动 能量采集器。
背景技术：
随着无线传感网络系统逐渐进入人们的视野，其在生物医疗、工业、建筑业、消费 电子和国防等领域，皆有广阔的应用前景。然而随着无线传感产品和微机电系统器件体积 不断减小，供电问题成了困扰其发展应用的主要障碍。当前人们主要依靠高能量密度的一 次性电池，尽管电池的储能密度和使用寿命不断得以提高，但它的缺陷不言而喻体积大、 质量大、寿命有限、需不断更换。无线传感网络使用寿命往往较长，节点分布广泛，在某些地 方传感器工作位置难以触及，更换电池或用电力线供电，既费时又费力，在很多场合下也是 不切实际的。振动能量采集器能够把周围环境中的振动能转化为电能从而为无线电子元器件 供电。一方面，利用传统的机械加工技术得到的振动能量采集器，由于体积较大，无法与微 型无线产品和微机电系统器件集成。另一方面，随着技术的改进和提高，无线传感器节点 的能耗也逐步降低，目前有些产品的活动能耗和睡眠能耗已经降到了几十毫瓦和几毫瓦级 别，这无疑意味着基于MEMS的微型能量采集器在无线电子元件等低能耗器件方面将有着 非常广泛的应用。目前完全集成制造的微机械电磁振动能量采集器输出功率和电压低，难以满足低 功耗器件应用的需求。究其原因，根据理论分析，能量采集器通常应工作在谐振状态(拾振 固有频率与环境振动频率相等)，此时受迫振幅最大，输出功率也最大。然而，事实上，环境 中的振动频率往往在一个范围内持续变化，例如飞机在起飞时和在空中平稳运行时振动频 率显然是不同，因此需要制作出一个能收集不同频率的MEMS能量采集器。经过对现有技术的检索发现，Ibrahim Sari等人在“An electromagnetic micro powergenerator for wideband environmental vibrations，， (Sensors and Actuators, A, 2008,405-413)(中文题目“一种微型电磁式宽频带振动能量采集器”国际期刊传感器 与执行器A)文章中报道了一拾振结构为含35根悬臂梁的阵列，利用每根悬臂梁的不同长 度得到不同的共振频率，它能在4. 2-5KHZ范围内持续产生电压为10mV，功率为0. 4 y W的电 流。虽然部分工艺与IC工艺兼容，但永磁体仍靠手工装配，整体制作工艺步骤复杂，很难批 量生产。Bin Yang ^A^ "Electromagnetic energy harvesting from vibrations of multiplefrequencies，， (Journal of Micromechanics and Micro engineering，19，2009， 035001)(中文题目“微型电磁式宽频带振动能量采集器”国际期刊微机械和微工程学 报)文章中报道了拾振部件为简支梁上装配上三个永磁体量采集器，通过仿真实验得到在 一定频率范围内产生3. 2mV电压，3. 2 y W电流。该能量采集器的永磁体、悬臂梁和支架等都 是装配组成，器件体积大，无法与微型无线产品和微机电系统器件集成。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种微型电磁式宽频带振动能量采集 器，通过多个由弹簧连接的环状永磁体振动模态的叠加实现宽频带能量采集，并利用微结 构图形化方法实现永磁体的集成制造，而且由于图形化的永磁体可以有较厚的微结构，因 而比电镀永磁体有更好的能量采集和转化效率，与IC工艺相兼容，易于批量化加工。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括绝缘衬底、平面螺旋感应线圈、 拾振结构和支撑结构，其中绝缘衬底、平面螺旋感应线圈和拾振结构依次右下而上固定设 置，支撑结构位于平面螺旋感应线圈和拾振结构的外侧并与绝缘衬底固定连接。所述的绝缘衬底为石英或玻璃制成。所述的平面螺旋感应线圈为感应线圈绕组结构，具体为方形或圆形的多层多匝螺 旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成，其中金属铜线圈的高度、宽度以及匝与匝之间 的距离为10微米-30微米。所述的感应线圈绕组内设有绝缘材料，如氧化铝或聚酰亚胺或聚氯代对二甲苯。所述的拾振结构包括若干蛇形弹簧、若干个环形永磁体和中心永磁体，其中中 心永磁体位于拾振结构的圆心，若干个环形永磁体依次由内而外套接于中心永磁体的外 部，若干蛇形弹簧依次径向设置于支撑结构、环形永磁体和中心永磁体之间的空隙处。所述的蛇形弹簧包括位于中心永磁体与相邻环形永磁体之间的内蛇形弹簧、位 于两个相邻的环形永磁体之间的过渡蛇形弹簧以及位于环形永磁体与相邻的支撑结构之 间的外蛇形弹簧。所述的蛇形弹簧为单匝或多匝S形结构的电镀镍或电镀铜制成，其中的S形结构 的圆弧部分的内径为20-100微米，S形结构的平直部分长为50-500微米，单个弹簧的长度 为100-200微米。所述的外蛇形弹簧的个数为6-20个，每个蛇形弹簧的宽度为20-60微米，厚度为 20-60微米；所述的过渡蛇形弹簧的个数为6-16个，每个蛇形弹簧的宽度为10-50微米，厚度 为10-50微米；所述的内蛇形弹簧的个数为4-12个，每个蛇形弹簧的宽度为5-40微米，厚度为 4-40微米；本发明中的蛇形弹簧分布在磁体周围，这样磁体受力均勻，克服了悬臂梁或简支 梁应力集中地问题，同时也加大了磁体振幅，更有利于能量采集。所述的支撑结构是通过电镀镍或铜等金属或微电铸形成的方形或者弧形柱状结 构，采用室温下多次叠层电镀镍或铜等金属制作或微电铸。所述的中心永磁体与环形永磁体为同心设置，所述的中心永磁体、环形永磁体以 及平面螺旋感应线圈为同轴设置，以使磁感应线更加集中，因而线圈中心磁感应强度最强， 更加有效地利用谐振产生的能量，能量转换效率更高。所有永磁体因其每个永磁体各不相 同因而有不同的固有谐振频率，通过适当控制谐振永磁体的相对质量、位置和形状，产生在 一定频谱范围内受迫谐振，采集环境中的振动能量。本发明主要用于采集自然环境中广泛存在的100-1000赫兹中某一特定频率范围内的低频振动能。通过由蛇形弹簧和圆形环形磁体交互连接形成的拾振结构与外界发生谐 振，根据法拉第定律，当器件这这一特定频率范围内振动时，通过平面螺旋感应线圈产生较 大感应电流。根据理论分析，能量采集器通常应工作在谐振状态(拾振固有频率与环境振 动频率相等)，此时受迫振幅最大，输出功率也最大。本发明采用了三个同心圆型永磁体作 为拾振结构，而每个永磁体都各有其不变的固有谐振频率，适当选取连接材料，利用有限元 模拟和实验分析，找出拾振结构产生电流的三个不同的峰值，然后通过改变相对位置、弹簧 刚度和长度以及不同的电镀材料，对三个峰值进行整合，使拾振结构在这一固定的频谱范 围内产生较大电流，得出发生谐振的一定范围频谱，这克服了以往利用单一拾振结构(一 个永磁快和弹簧)只有某一特定固有频率的缺陷和利用悬臂梁结构造成应力集中的毛病， 使电磁式能量采集器的实用性又向前推进了 一步。本发明永磁体和蛇形弹簧组成的拾振结构，主要通过改变磁通量来产生感应电动 势而不是通过切割磁感线来产生电动势，谐振永磁体位于感应线圈绕组的一侧而不穿过感 应线圈所在的平面。利用蛇形弹簧作为永磁体与永磁体之间、永磁体与支撑台之间的连接， 而不是通常所用的悬臂梁或简支梁做支撑，一方面，这样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，并且可以对外界振动产生缓冲，避免应力集中折断或拉坏； 另一方面，这可以使磁体除了在主方向(垂直于弹簧和永磁体平面方向)上产生谐振能量 采集外，在水平方向产生摆动或轻微转动，由于切割磁感线而产生感应电流，这样也能进行 能量采集，可以进一步提高能量采集效率。在拾振结构的内部永磁体、拾振结构和平面螺旋 感应线圈都是在同一圆心或同一主轴上，这样有利于磁感线集中，磁感强度在线圈内比较 强，磁通量变化大，因而能量采集效率高，避免由于震动或磁体分散而造成磁场损失。本发明将感应线圈做在永磁体拾振结构下方固定，而不是做成绕在悬臂梁或薄膜 的可动部件上，因此无需在底部做成悬臂梁或是薄膜结构，这样工艺要求比较低，可以在一 定面积上获得面积更大，匝数更多的线圈绕组，甚至可以利用绝缘层进行多层多匝绕线，在 相同的振动下产生更大的感应电动势。本发明克服了以前基于MEMS的电磁式宽频带振动能量采集器在制作工艺的不 足，传统的磁片粘结技术精度差，体积大，集成度低，难以满足MEMS设计和制造要求；掩膜 电镀工艺对外界要求高，厚度很有限，表面性能低，存在应力问题。本发明的拾振结构采用 电镀工艺和微结构图形化相结合的方法，利用电镀生成磁性材料基底和弹簧，这样可以保 证二者的衔接，然后利用光刻和微结构图形化工艺直接将永磁体通过微加工技术，做成圆 形和圆环形集成在器件上，工艺简单便于集成和批量生产。本发明的主要创新点1利用多个可动永磁体不同的谐振频率，通过建模和理论 分析得出在一定频谱范围内实现谐振，完成一定范围内频率采集。2永磁体之间采用电镀弹 簧连接，这样永磁体有较大自由度，较悬臂梁或简支梁，有较大改进。3电镀蛇形弹簧在水 平面上可以产生一定量拉伸，除了在主方向(垂直于弹簧和永磁体平面方向)上产生谐振 能量采集外，在水平方向产生扰动或轻微转动，也能进行能量采集，并且较梁结构有阻尼更 小，进一步提高了能量采集效率。4永磁体在同一个平面上，中间均以电镀蛇形弹簧连接，制 作工艺简单，便与加工。5永磁体均以同心的圆形或圆环形结构，这样有利于把磁场集中在 圆环中心部分，这可以减少磁力损失，更有效进行能量采集。6平面螺旋感应线圈绕组在永 磁体拾振结构下方固定绝缘基底上，并且与圆形和环形永磁体拾振结构在同一主轴上，这
5样只要永磁体在振动，就能产生相应的磁感应电流。7磁感应线圈绕组在固定的绝缘基底 上，之间利用氧化铝或聚酰亚胺绝缘，这样可以获得匝数跟多、面积更大的线圈组，而且还 可以进行多层多匝绕组。8永磁体集成技术方面摒弃了传统的磁片粘结和微装配手段以及 掩膜电镀工艺，直接将永磁体通过微加工技术，做成圆形和圆环形集成在器件上，工艺简单 便于集成和批量生产。
图1为实施例1结构示意图。图2为实施例1拾振结构图。图3为实施例2结构示意图。图4为实施例3结构示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1具有三个永磁体构成拾振结构的一个微型电磁式宽频带振动能量采集器如图1所示，本实施例包括绝缘衬底1、平面螺旋感应线圈2、拾振结构3和8个 支撑结构4，其中绝缘衬底1、平面螺旋感应线圈2和拾振结构3依次右下而上固定设置， 支撑结构4位于平面螺旋感应线圈2和拾振结构3的外侧并与绝缘衬底1固定连接。所述的绝缘衬底1为石英或玻璃制成。所述的平面螺旋感应线圈2为感应线圈绕组结构，具体为方形或圆形的多层多匝 螺旋金属铜线圈5按螺旋渐开的方式组合构成，其中金属铜线圈5的高度、宽度以及匝与匝 之间的距离为20微米。所述的感应线圈绕组内设有绝缘材料6，如氧化铝或聚酰亚胺或聚氯代对二甲苯。所述的拾振结构3包括20个蛇形弹簧7、2个环形永磁体8和中心永磁体9，其 中中心永磁体9位于拾振结构3的圆心，2个环形永磁体8依次由内而外套接于中心永磁 体9的外部，20个蛇形弹簧7依次径向设置于支撑结构4、环形永磁体8和中心永磁体9之 间的空隙处。所述的蛇形弹簧7包括位于中心永磁体9与相邻环形永磁体8之间的内蛇形弹 簧10、位于两个相邻的环形永磁体8之间的过渡蛇形弹簧11以及位于环形永磁体8与相邻 的支撑结构4之间的外蛇形弹簧12。所述的蛇形弹簧7为单匝S形结构的电镀铜制成，其中的S形结构的圆弧部分13 的内径为30微米，S形结构的平直部分14长为100微米，单个弹簧的长度为150微米。所述的外蛇形弹簧12的个数为8个，每个蛇形弹簧7的宽度为50微米，厚度为50 微米；所述的过渡蛇形弹簧11的个数为8个，每个蛇形弹簧7的宽度为40微米，厚度为 40微米；
所述的内蛇形弹簧10的个数为4个，每个蛇形弹簧7的宽度为40微米，厚度为50 微米；本发明中的蛇形弹簧7分布在磁体周围，这样磁体受力均勻，克服了悬臂梁或简 支梁应力集中地问题，同时也加大了磁体振幅，更有利于能量采集。所述的支撑结构4是通过电镀镍或铜等金属或微电铸形成的方形或者弧形柱状 结构，采用室温下多次叠层电镀镍或铜等金属制作或微电铸。如图1所示，绝缘衬底1上溅射有导电金属层15，其厚度为10微米。实施例2具有四个永磁体构成拾振结构的一个微型电磁式宽频带振动能量采集器如图3所示，为四个永磁体构成拾振结构的一个微型电磁式宽频带振动能量采集 器，其结构和原理与实施例1基本相同，所述的拾振结构3包括28个蛇形弹簧7、3个环形 永磁体8和中心永磁体9，其中中心永磁体9位于拾振结构3的圆心，3个环形永磁体8依 次由内而外套接于中心永磁体9的外部，28个蛇形弹簧7依次径向设置于支撑结构4、环形 永磁体8和中心永磁体9之间的空隙处，这样在振动频谱图上能显示四个振动峰值，可以得 到由四个固有频率整合而成的宽频带振动能量采集器。实施例3如图4所示，本实施例包括绝缘衬底1、平面螺旋感应线圈2、拾振结构3和支撑 结构4，其中绝缘衬底1、平面螺旋感应线圈2和拾振结构3依次右下而上固定设置，支撑 结构4位于平面螺旋感应线圈2和拾振结构3的外侧并与绝缘衬底1固定连接成为工字型
一体结构。所述的工字型一体结构的高度为1500微米，其固定频率的振幅与平面螺旋感应 线圈2相接近。
权利要求
一种微型电磁式宽频带振动能量采集器，包括绝缘衬底、平面螺旋感应线圈、拾振结构和支撑结构，其特征在于绝缘衬底、平面螺旋感应线圈和拾振结构依次右下而上固定设置，支撑结构位于平面螺旋感应线圈和拾振结构的外侧并与绝缘衬底固定连接。
2.根据权利要求1所述的微型电磁式宽频带振动能量采集器，其特征是，所述的平面 螺旋感应线圈为感应线圈绕组结构，具体为方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋 渐开的方式组合构成。
3.根据权利要求2所述的微型电磁式宽频带振动能量采集器，其特征是，所述的感应 线圈绕组内设有绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的微型电磁式宽频带振动能量采集器，其特征是，所述的拾振 结构包括若干蛇形弹簧、若干个环形永磁体和中心永磁体，其中中心永磁体位于拾振结 构的圆心，若干个环形永磁体依次由内而外套接于中心永磁体的外部，若干蛇形弹簧依次 径向设置于支撑结构、环形永磁体和中心永磁体之间的空隙处。
5.根据权利要求4所述的微型电磁式宽频带振动能量采集器，其特征是，所述的中心 永磁体与环形永磁体为同心设置，所述的中心永磁体、环形永磁体以及平面螺旋感应线圈 为同轴设置
6.根据权利要求4所述的微型电磁式宽频带振动能量采集器，其特征是，所述的蛇形 弹簧包括位于中心永磁体与相邻环形永磁体之间的内蛇形弹簧、位于两个相邻的环形永 磁体之间的过渡蛇形弹簧以及位于环形永磁体与相邻的支撑结构之间的外蛇形弹簧。
7.根据权利要求4或6所述的微型电磁式宽频带振动能量采集器，其特征是，所述的蛇 形弹簧为单匝或多匝S形结构的电镀镍或电镀铜制成。
8.根据权利要求6所述的微型电磁式宽频带振动能量采集器，其特征是，所述的外蛇 形弹簧的个数为6-20个，每个蛇形弹簧的宽度为20-60微米，厚度为20-60微米；所述的过 渡蛇形弹簧的个数为6-16个，每个蛇形弹簧的宽度为10-50微米，厚度为10-50微米；所述 的内蛇形弹簧的个数为4-12个，每个蛇形弹簧的宽度为5-40微米，厚度为4-40微米。
9.根据权利要求1所述的微型电磁式宽频带振动能量采集器，其特征是，所述的支撑 结构是通过电镀镍或铜等金属或微电铸形成的方形或者弧形柱状结构，采用室温下多次叠 层电镀镍或铜等金属制作或微电铸。
10.根据权利要求1或9所述的微型电磁式宽频带振动能量采集器，其特征是，所述的 支撑结构与绝缘衬底固定连接成为工字型一体结构。
全文摘要
一种微机电系统技术领域的微型电磁式宽频带振动能量采集器，包括绝缘衬底、平面螺旋感应线圈、拾振结构和支撑结构，其中绝缘衬底、平面螺旋感应线圈和拾振结构依次右下而上固定设置，支撑结构位于平面螺旋感应线圈和拾振结构的外侧并与绝缘衬底固定连接。本发明通过多个由弹簧连接的环状永磁体振动模态的叠加实现宽频带能量采集，并利用微结构图形化方法实现永磁体的集成制造，而且由于图形化的永磁体可以有较厚的微结构，因而比电镀永磁体有更好的能量采集和转化效率，与IC工艺相兼容，易于批量化加工。
文档编号H02K33/18GK101860169SQ20101019950
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月12日 优先权日2010年6月12日
发明者丁桂甫, 杨卓青, 王艳, 陶凯 申请人:上海交通大学