專利名稱：帶質量塊的微型振動式風力發電機的制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子機械系統(MEMS)領域，特別涉及到將風能轉換為電能的MEMS 微能源(Power MEMS)技術。
背景技術：
集成電路和MEMS技術的發展使具有成千上萬個節點的無線傳感網絡的構建成為 可能，由于傳統電池尺寸大、壽命有限和需要更換等缺點，使其在無線傳感網絡中的應用受 到了限制。將環境能(如振動能、熱能、太陽能等)轉換為電能的微能源不需攜帶化學原料， 具有尺寸小、壽命長、可以和微傳感器系統一體化設計等優點，是解決無線傳感網絡等的能 源問題的最有效途徑之一。基于風致振動機理的MEMS微型振動式風力發電機利用風載荷 引起的微結構振動將環境風能轉換為微結構振動能，進一步利用電磁效應、壓電效應或靜 電效應將微結構振動能轉換為電能，實現對負載或儲能器的供電，其具有結構簡單、不含轉 動部件等諸多優點，在環境監測、建筑物健康監測等無線傳感網絡等方面有廣闊應用前景。微型振動式風力發電機輸出的電能需要通過電源管理電路進行整流和儲能后，方 可為負載供電，該電源管理電路本身也需要消耗部分電能，當發電機輸出功率過低時，其產 生的電能大部分被電源管理電路消耗，難以被應用對象利用。微型振動式風力發電機的輸 出功率由發電機振動部分的振幅決定，而該振幅直接依賴于環境風速的大小。根據風載荷 的特點可知，風對結構施加的風載荷包含靜風載荷和動風載荷兩部分，其中動風載荷的頻 率隨著風速的增加而增加，當環境風速達到某個值(臨界風速)時，動風載荷的頻率接近 或達到微型振動式風力發電機振動部分的固有頻率，發電機的振動部分將產生強烈振動， 使其振幅達到某個值(臨界振幅)以上，發電機才能正常應用(即為應用對象正常供電)。 重慶大學申請的發明專利“基于風致振動機理和壓電效應的微型風力發電機”(申請號 200910104106. 5)提出了以含壓電層的振動梁/膜結構為基礎的微型風力發電機結構，但 由于該發電機結構不包含質量塊，固有頻率高，因此只有在風速很大的環境(如位于飛行 器表面、高速列車表面等)才能正常應用，極大地限制了其應用范圍。無線傳感網絡在大型 建筑物健康監測、國土安全監測、大氣監測等領域均有廣闊應用前景，這些應用環境在大部 分時間內的風速均不大(15m/s以下)，為了將基于風致振動機理的微型風力發電機應用于 這些中、低風速環境，必須降低發電機正常工作的風速，本發明提出了可以在更低風速下正 常工作的基于風致振動機理的微型風力發電機新結構。
發明內容
本發明的目的是提出利用一種微型振動式風力發電機結構，以降低微型振動式風 力發電機正常應用的臨界風速。為了實現上述發明目的，本發明采取以下技術方案帶質量塊的微型振動式風力發電機是在微型振動式風力發電機的振動部分增加 一個或多個質量塊。發電機是由襯底、振動梁/膜和由該振動梁/膜支承的質量塊構成，其中振動梁/膜和質量塊構成了發電機的振動部分。帶質量塊的微型振動式風力發電機的振 動梁/膜可采用懸臂梁、兩端固支梁、多根單端固支梁或周邊固支的膜。質量塊固定于振動 梁/膜的振幅較大的可動部分(如懸臂梁的自由端、兩端固支梁的中心附近、多根單端固支 梁相互連接點附近，或邊界固支膜的中心附近)的上表面或小表面，或同時位于該可動部 分的上表面和小表面。該振動梁/膜包含有壓電層，壓電層的上、下表面均設置有電極。本 發電機利用風載荷引起的振動梁/膜振動，將環境風能轉換為振動梁/膜的振動能，振動梁 /膜的振動將引起其上的壓電層應力的交替變化，由于壓電效應，在壓電層的上下表面將產 生電勢差，利用該電勢差可實現對負載或儲能器的供電。本風力發電機在振動梁/膜的可動部分增加質量塊，降低了發電機振動部分的固 有頻率，該固有頻率的降低使發電機振動部分在更低風速作用下產生強烈振動。因此該質 量塊的引入將有效降低基于風致振動機理的微型風力發電機正常應用的臨界風速的目的。本發明具有以下特點1、本發明引入的質量塊將降低微型振動式風力發電機振動部分的自振頻率，使發 電機振動部分在更低風速作用下產生強烈振動。2、本發明提出的帶質量塊的微型振動式風力發電機，其振動梁/膜可采用懸臂 梁、兩端固支梁、多根單端固支梁或周邊固支的膜。3、本發明提出的帶質量塊的微型振動式風力發電機，其質量塊位于振動梁/膜的 振幅較大的可動部分(如懸臂梁的自由端、兩端固支梁的中心附近、多根單端固支梁相互 連接點附近，或邊界固支膜的中心附近)的上表面或下表面，或同時固定于振動梁/膜的振 幅較大的可動部分的上、下表面。4、本發明提出的帶質量塊的微型振動式風力發電機的振動梁/膜包含有壓電層， 壓電層的上、下表面均設置有電極。5、以上帶質量塊的微型振動式風力發電機結構簡單，便于采用硅微加工技術進行 批量化加工，成本低。
圖1是在SOI襯底上生長的二氧化硅示意2是刻蝕SOI襯底上層單晶硅的示意3是熱氧化的二氧化硅示意4是采用剝離工藝制備的金屬電極示意5是制備的壓電膜示意6是采用剝離工藝制備的金屬電極示意7是在SOI基片背面涂的光刻膠示意8是釋放后的單面帶質量塊的微型振動式風力發電機示意9是釋放后的單面帶質量塊的含多壓電層的微型發電機示意10是正反面均帶質量塊的微型振動式風力發電機典型結構一示意11是單面帶質量塊的微型振動式風力發電機典型結構二示意12是正反面均帶質量塊的微型振動式風力發電機典型結構三示意13是單面帶質量塊的微型振動式風力發電機典型結構四示意圖
圖14是正反面均帶質量塊的微型振動式風力發電機典型結構五示意15是單面帶質量塊的微型振動式風力發電機典型結構六示意圖
具體實施例方式下面以基于壓電轉換原理的微型振動式風力發電機為例，結合理論分析、實施例 和實驗結果進一步對本發明進行說明。將基于風致振動的微型風力發電機振動部分可以簡化為一個由彈簧一質量塊組 成的單自由度系統，由振動理論可知，該發電機的固有頻率為f = I-JK,(1)
2π \ m上式中K為等效剛度，由振動梁/膜的材料、厚度、長度、寬度和邊界條件決定。上 式中m為等效質量當沒有質量塊時，m主要由振動梁/膜的質量和與固有頻率對應的振型 決定，由于振動梁/膜體積小，因此m很小，相應的固有頻率很高；當在振動梁/膜振幅較大 的位置(如懸臂梁自由端、兩端固支梁中點附近等)增加質量塊，由于質量塊體積大，其質 量也大，此時m將相對于沒有質量塊的情形提高數十到數萬倍，因此該質量塊的引入將有 效降低發電機的固有頻率。根據結構的風致振動機理可知，當動風載荷的頻率接近或達到微型風力發電機的 固有頻率時，發電機的振動梁/膜結構和質量塊將產生強烈振動。動風載荷的主要部分是 由于旋渦脫落引起，旋渦脫落的頻率為
fw=f, (2)式中^為斯脫羅哈數(Strouhal數)，D是結構垂直于來流方向平面上的特征尺寸， U是風速。由上式可見，漩渦脫落的頻率隨著風速U的提高而提高。由于當旋渦脫落的頻率 接近或達到微型風力發電機振動部分的固有頻率時，發電機的復合梁/膜和質量塊才產生 強烈振動，因此在迎風尺寸不變的情況下，振動部分的固有頻率更高的發電機只有在更高 的風速下才能產生強烈的振動，才能正常應用。本發明引入的質量塊可以有效降低基于風 致振動的微型風力發電機的固有頻率，所以可以有效降低發電機正常工作的風速。帶質量塊的微型振動式風力發電機由襯底、振動梁/膜和由該振動梁/膜支承的 質量塊構成，其中振動梁/膜和質量塊構成了發電機的振動部分。基于微加工工藝，易于制 作出帶質量塊的微型振動式風力發電機。單面帶質量塊的微型振動式風力發電機可采用單 晶硅作為質量塊，采用含壓電層的梁/膜作為振動梁/膜，該振動梁/膜上的壓電層也是發 電機實現機電轉換的結構。下面是一個典型的工藝流程1、選取雙面拋光的SOI基片為襯底，該SOI基片由厚度約450 500 μ m的第一單 晶硅層1、厚度約1 μ m的第一 SiO2層2和厚度約1 20 μ m的第二單晶硅層3組成，通過熱 氧化生長約200nm的第二 SiO2層，涂光刻膠，光刻，以光刻膠為掩膜，采用BHF刻蝕第二 SiO2 層，去除光刻膠，形成SiO2層圖形4，如圖1所示；2、以SiO2層圖形4為掩膜，采用感應耦合等離子刻蝕或KOH腐蝕上面沒有SiO2層 保護的第二單晶硅層3，去除第二 SiO2層圖形4，得到圖2所示的結構；
3、在第二單晶硅層3上熱氧化生長約200nm的第三SiO2層5，如圖3所示；4、采用剝離法和濺射法在第三SiO2層5上生長約150nm的下金屬電極(Ti/Pt) 6， 如圖4所示；5、采用溶膠-凝膠法在下金屬電極(Ti/Pt) 6上生長厚度1 10 μ m的鈦鋯酸鉛 (PZT)壓電膜，并通過反應離子刻蝕(RIE)對PZT膜進行圖形化，形成壓電層圖形7，如圖5 所示；6、采用剝離法和濺射法在壓電層圖形7上生長約150nm的上金屬電極(Ti/Pt)8， 如圖6所示；7、在SOI基片的背面涂光刻膠，光刻，形成光刻膠圖形9，如圖7所示；8、以光刻膠為掩膜，采用感應耦合等離子刻蝕從SOI基片的背面刻蝕第一單晶硅 層1，到第一 SiO2層2時停止刻蝕，去除光刻膠，利用HF溶液去除SiO2，釋放結構，即獲得含 壓電層的振動梁/膜和單晶硅質量塊，如圖8所示。圖8所示的微型發電機的振動梁/膜只含有一層PZT壓電層，該壓電層也可以采 用其他壓電材料，如PVDF、ZnO、AlN等，壓電層的生長也可以采用濺射、MOCVD等方法。為了 調節微型發電機的內阻抗，使其與負載的阻抗匹配，微型發電機的振動梁/膜可以采用含 有多層壓電層的梁/膜(如圖9所示)。以上帶質量塊的微型振動式風力發電機是利用梁 /膜上的壓電層的壓電效應實現機電轉換(即將微結構的振動能轉換為電能)的。帶質量塊的微型振動式風力發電機可以采用多種結構形式實現，下面是幾種典型 的結構形式如圖10所示，以固定于襯底10上的懸臂梁11作為振動梁，且在懸臂梁自由端的 上、下表面均有質量塊12。如圖11所示，與圖9的差別是僅在懸臂梁自由端的一個表面有質量塊12，如僅在 下表面有質量塊12。如圖12所示，以固定于襯底10上的兩端固支梁11作為振動梁，且在兩端固支梁 中間的中間位置的上、下表面均有質量塊12，通過改變質量塊的位置可以對發電機的性能 進行優化。如圖13所示，與圖11的差別僅在兩端固支梁中間的一個表面有質量塊12，如僅在 下表面有質量塊12。如圖14所示，由多根梁11作為振動梁，這些振動梁的一端固定于襯底10上，另一 端連結在一起，在振動梁特定位置的上下表面均有質量塊12，通過改變質量塊的位置可以 對發電機的性能進行優化。如圖15瑣事示，與圖13的差別是僅在振動梁特定位置的一個表面有質量塊12，如 僅在下表面有質量塊12。帶質量塊的微型振動式風力發電機的梁/膜也可以是部分邊界固 定于襯底上的圓形、矩形、多邊形或其它形狀的振動膜，在該振動膜部分可動段的上下表面 同時有質量塊，或者僅在振動膜的上表面或下表面有質量塊。圖16所示的微型振動式風力發電機就是在周邊固定于襯底10的圓形膜11的上
表面固定有質量塊。為了進一步驗證帶質量塊的基于風致振動的微型風力發電機對降低微型振動式 風力發電機正常應用的風速的有效性，分別對沒有質量塊和有質量塊的微型風力發電機原理樣機開展了實驗研究。采用微組裝技術制作了單面帶質量塊的微型振動式風力發電機典 型結構二的樣機一，見圖11，同時制作了沒有質量塊的發電機結構樣機二(其含壓電層的 振動梁的長度是樣機一的振動梁的長度與質量塊的長度之和)。含壓電層的振動梁的上、 下壓電層均為139 μ m厚的PZT壓電層，兩個壓電層的極化方向相反，中間金屬為銅，其厚度 為1024!11，壓電復合梁的寬度為6.4111111。樣機一和樣機二的壓電復合梁長度分別為19mm和 2. 6mm，樣機一的質量塊為一個密度約15000kg/m3的鎢塊，其尺寸為7mmX 6. 02mmX5. 08mm。 分別將兩個發電機樣品固定于同一個鋁片的相同位置，在約9m/s的風速作用下，有質量塊 的微型振動式風力發電機樣品的開路電壓為2. 2V，對200kΩ和300kQ的電阻負載的最大 輸出功率分別為5. 55yW為5. 58 μ W ；沒有質量塊的微型振動式風力發電機樣品的開路電 壓為0.733￥，對2001^0和300k Ω的電阻負載的最大輸出功率分別為1. 18 μ W和0. 93 μ W。
以上實驗表明，本發明提出新結構可以有效降低基于風致振動機理的微型風力發 電機正常工作的風速，擴大其應用范圍。
權利要求
一種帶質量塊的微型振動式風力發電機，其包括襯底和振動梁/膜，所述振動梁/膜包含壓電層，所述壓電層的上、下表面均設置有電極；其特征在于所述發電機還包括由所述振動梁/膜支承的質量塊，所述質量塊至少有一個，質量塊固定在振動梁/膜的可動部分的上表面或下表面，或同時固定于振動梁/膜的可動部分的上、下表面。
2.如權利要求1所述的帶質量塊的微型振動式風力發電機，其特征在于，所述振動梁 采用懸臂梁、兩端固支梁或多根單端固支梁；所述振動膜采用周邊固支的膜。
3.如權利要求1或2所述的帶質量塊的微型振動式風力發電機，其特征在于，所述質量 塊位于振動梁/膜的振幅較大的可動部分的上表面或下表面，或同時固定于振動梁/膜的 振幅較大的可動部分的上、下表面；所述振幅較大的可動部分是指懸臂梁的自由端、兩端固支梁的中心附近、多根單端固 支梁相互連接點附近，或邊界固支膜的中心附近。
全文摘要
本發明提出的帶質量塊的微型振動式風力發電機是由襯底、振動梁/膜和由該振動梁/膜支承的質量塊構成，其中振動梁/膜和質量塊構成了發電機的振動部分，該振動梁/膜含有壓電層，該壓電層的上、下表面均有電極。振動梁/膜可采用懸臂梁、兩端固支梁、多根單端固支梁或周邊固支的膜。該發電機利用風載荷引起的微結構振動將環境風能轉換為微結構的振動能，進一步利用壓電效應將微結構的振動能轉換為電能，實現對負載或儲能器的供電。引入的質量塊降低了發電機振動部分的固有頻率，降低了發電機正常應用的臨界風速。該發電機便于采用硅微加工技術進行批量化加工，成本低，特別適合于為無線傳感網絡節點等供電。
文檔編號H02N2/18GK101908836SQ20101023304
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月22日 優先權日2010年7月22日
發明者廖海洋, 李江, 溫志渝, 賀學鋒, 趙興強 申請人:重慶大學