專利名稱：一種復合式微型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，特別涉及到將環境風能轉換為電能的 MEMS 微能源(Power MEMS)技術。
背景技術：
同電池等傳統能源相比，直接將環境中廣泛存在的振動能、流體動能、熱能、太陽 能等轉換為電能的微能源壽命更長，是無線傳感網絡和微小型自治式微系統迫切需要的一 種電源。基于微機電系統(MEMS)技術的將環境物理能量轉換為電能的MEMS微能源同時還 均有尺寸小、免維護、易集成等諸多優點，已經成為國際上微能源研究的熱點之一。基于風致振動機理的微型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，進一步利用電磁感應、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。目前的微型振動式風力發電 機只采用電磁感應、壓電效應和靜電效應中的一種將微結構振動能轉換為電能，其轉換效 率不高，發電機的輸出功率小，不能滿足無線傳感網絡節點的壓電需求。研究提高MEMS微 型風力發電機的性能的方法與結構，對促進MEMS微型風力發電機的應用，進一步促進無線 傳感網絡技術的發展，均有十分重要的意義。
發明內容
為了提高基于風致振動機理的微型風力發電機的將環境風能轉換為電能的效率， 可以分別從提高環境風能獲取效率和提高將微結構的振動能轉換為電能的機電轉換效率 兩個方面入手。本發明的目的是提出一種同時利用壓電效應和電磁感應原理將微結構的振 動能轉換為電能的微型風力發電機，以提高其能量轉換效率和輸出功率。為了實現上述目的，本發明采取以下技術方案
一種復合式微型風力發電機，其同時采用壓電效應和電磁感應原理將微結構的振動能 轉換為電能，其包括微支架、微梁、壓電結構、金屬線圈、永磁體和底座，所述微梁的單端固 定于微支架上，或兩端均固定于微支架上，進一步通過微支架固定于底座上，微梁為復合式 微型風力發電機的可動部分。在所述微梁表面的非固定部位設置有壓電結構，所述壓電結構由壓電層和位于壓 電層上表面和下表面的金屬電極構成；在所述微梁表面的非固定部位還設置有金屬線圈， 并在底座上固定有永磁體，永磁體的S極或N極正對金屬線圈平面，并在永磁體與線圈平 面之間預留間隙；在風載荷作用下，復合式微型風力發電機的可動部分發生振動時，位于微 梁上的壓電層由于變形而產生的電通過分別位于壓電層上、下表面的電極引出；微梁振動 同時引起線圈與永磁體之間的相對位置和通過線圈的磁通量發生變化，由電磁感應原理可 知，此時將在線圈內產生感生電動勢，該感生電動勢可以通過線圈兩端的電極引出。壓電效 應產生的電和電磁感應產生的電，引出后直接為某些負載供電，或者經整流后對儲能器進行充電。本發明提出的復合式微型風力發電機由于同時采用了壓電效應和電磁感應原理 將微結構的振動能轉換為電能，因此具有比單獨采用壓電效應或電磁感應的微型風力發電 機更高的機電轉換效率。本發明提出的復合式微型風力發電機通過提高機電轉換效率，可 以進一步達到提高基于風致振動機理的微型風力發電機輸出功率的目的，有利于擴大MEMS 微型風力發電機的應用范圍。進一步，本發明將金屬線圈設置于單端固定的微梁的自由端或兩端固定的微梁的 中間部分，該位置在發電機可動部分振動時位移和速度的幅度大，有利于在線圈兩端產生 更大的感生電動勢，以將更多的振動能通過電磁感應轉換為電能。另外，本發明通過增加微梁的厚度對金屬線圈下面的微梁進行加強，其中表面有 金屬線圈的微梁的厚度是表面沒有金屬線圈的微梁的厚度的兩倍以上，以確保線圈在該發 電機振動部分振動時不被損壞。本發明提出的復合式微型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，特別適合于為無線傳感網絡節點等供電。
圖1是在硅片上生長二氧化硅示意圖 圖2是沉積并圖形化底部金屬電極的示意圖 圖3是制備壓電膜并圖形化的示意圖
圖4是沉積并圖形化頂部金屬電極的示意圖
圖5是硅片正面以二氧化硅層定義釋放槽的示意圖
圖6是硅片正面刻蝕釋放槽的示意圖
圖7是形成金屬線圈的示意圖
圖8是從硅片背面以二氧化硅形成刻蝕掩膜的示意圖
圖9是從硅片背面釋放結構的示意圖
圖10是底座示意圖
圖11是將永磁體安裝于底座上的示意圖 圖12是基于單端固支微梁的復合式微型風力發電機示意圖 圖13是基于兩端固支微梁的復合式微型風力發電機示意圖。
具體實施例方式同時基于壓電效應和電磁感應原理實現機電轉換的復合式微型風力發電機由微 支架、微梁、壓電結構、金屬線圈、永磁體和底座構成，其中微梁固定于微支架上，壓電結構 和金屬線圈加工在微梁上，永磁體固定在底座上，下面是制作復合式微型風力發電機的一 個典型工藝流程
1、選取雙面拋光硅片為襯底1，采用氧化或低壓化學氣相淀積的方法在襯底1的正面 和背面同時生長SiA層2，如圖1所示；
2、在硅片正面以磁控濺射的方法依次沉積Ti和Pt層，然后涂光刻膠，光刻1次，形成 光刻膠圖形，進一步采用濕法腐蝕工藝腐蝕Pt和Ti層，去除光刻膠，形成底部電極層3，如圖2所示；
3、在硅片正面采用溶膠一泥膠或濺射等方法制備PZT壓電膜，然后涂光刻膠，光刻2 次，形成光刻膠圖形，進一步采用濕法腐蝕工藝腐蝕PZT膜，去除光刻膠，形成圖形化的PZT 膜，即壓電層4，如圖3所示；
4、在硅片正面以磁控濺射的方式依次沉積Ti和Pt層，然后涂光刻膠，光刻3次，形成 光刻膠圖形，進一步采用濕法腐蝕工藝腐蝕Pt和Ti層，去除光刻膠，形成頂部電極層5，如 圖4所示；
5.硅片正面涂光刻膠，光刻4次，形成光刻膠圖形，進一步采用濕法腐蝕工藝腐蝕二 氧化硅襯底1，去除光刻膠，形成釋放槽待刻蝕窗口，如圖5所示；
6.為了便于結構釋放，采用感應耦合等離子刻蝕、反應離子刻蝕或濕法腐蝕工藝從正 面刻蝕二氧化硅襯底1，在發電機可動部分的周圍形成釋放槽，如圖6所示；
7.硅片正面涂光刻膠，光刻5次，形成光刻膠圖形，采用濺射和剝離法形成Au線圈圖 形，即得到金屬線圈6，如圖7所示；
8.硅片背面涂光刻膠，光刻6次，形成光刻膠圖形，采用反應離子刻蝕工藝刻蝕背面 二氧化硅，去除光刻膠，形成圖形化的二氧化硅，如圖8所示；
9.采用感應耦合等離子刻蝕的方法從硅片背面對硅片進行刻蝕，直到刻透硅片正面 的釋放槽，此時壓電層下還有一層單晶硅層(其厚度與硅片正面的槽的深度基本相同)，形 成二氧化硅襯底1上釋放了的發電機可動部分及微梁7，以及固定微梁的硅微支架8，如圖 9所示；
10.采用精密機械加工等方法，制作底座9，如圖10所示；
11.將永磁體10的S極或N極如圖10所示固定于底座9上，并在永磁體10的上表面 涂覆一薄層絕緣材料層11，如圖11所示；
12.將二氧化硅襯底1上的發電機可動部分固定于底座9上，與永磁體10—起形成基 于單端固定的微梁的復合式微型風力發電機結構，如圖12所示。通過以上工藝，就完成了本發明提出的同時利用壓電效應和電磁感應原理實現機 電轉換的復合式微型風力發電機的制作。復合式微型風力發電機是在襯底1上生長二氧化 硅層2作為絕緣層，以金屬層作為底部電極3，壓電層4作為利用壓電效應實現機電轉換的 功能材料層，以金屬層作為壓電層的頂部電極5，以濺射或電鍍的金屬線圈6作為利用電磁 感應原理實現機電轉換的導電線圈，以通過對硅襯底進行刻蝕得到的單晶硅層作為微梁7 的主要結構層，微梁7固定于微支架8上，在將上表面有絕緣層11的永磁體10固定于底座 9上后，再將微梁通過微支架8與底座9固定在一起，形成基于單端固定的微梁的復合式微 型風力發電機。另外，本復合式微型風力發電機也可以采用圖13所示的基于兩端固定的微梁的 結構，其制作工藝與圖12所示的基于單端固定的微梁的復合式微型風力發電機基本一致。本發明提出的復合式微型風力發電機的壓電層也可以不用PZT材料，而改用 PVDF、&iO、AlN等，壓電層的生長也可以采用濺射、MOCVD等方法。為了降低線圈內阻，線圈 可以采用電鍍等方法制作。在以上工藝中，為了使線圈不受到梁變形的影響，增加了線圈下 面的梁的厚度。在實際應用時，將單端固定或兩端固定的復合式微型風力發電機置于環境風場中，當風速達到臨界風速時，風產生的動載荷的頻率與發電機可動部分的固有頻率接近或 相同時，振動梁和位于梁上的金屬線圈將強烈振動。該振動一方面導致壓電層內的應力交 替變化，由于壓電效應，在壓電層的上、下表面之間將產生交替變化的電勢差，通過分別位 于壓電層上、下表面的電極引出；該振動同時導致線圈與永磁體之間相對位置的變化，導致 通過線圈的磁通量發生變化，由電磁感應原理可知，此時將在線圈內產生感生電動勢，通過 線圈兩端的電極引出。以上壓電效應產生的電和電磁感應產生的電，引出后可以直接為某 些負載供電，或者經整流后對儲能器進行充電。
權利要求
1.一種復合式微型風力發電機，其同時采用壓電效應和電磁感應原理將微結構的振動 能轉換為電能；所述電機包括微支架、微梁、壓電結構和底座，所述微梁的單端固定于微支 架上，或兩端均固定于微支架上，進一步通過微支架固定于底座上，微梁構成復合式微型風 力發電機的可動部分；其特征在于所述壓電結構設置在所述微梁表面的非固定部位，所述壓電結構由壓電 層和位于壓電層上表面和下表面的金屬電極構成；在所述微梁表面的非固定部位還設置有 金屬線圈，并在底座上固定有永磁體，永磁體的S極或N極正對金屬線圈平面，并在永磁體 與金屬線圈平面之間預留間隙；在風載荷作用下，復合式微型風力發電機的可動部分發生 振動時，位于微梁上的壓電層由于變形而產生的電通過分別位于壓電層上、下表面的電極 引出；微梁振動同時引起金屬線圈與永磁體之間的相對位置和通過金屬線圈的磁通量發生 變化，在線圈內產生感生電動勢，該感生電動勢通過金屬線圈兩端的電極引出；以上壓電效 應產生的電和電磁感應產生的電，引出后直接為某些負載供電，或者經整流后對儲能器進 行充電。
2.根據權利要求1所述的復合式微型風力發電機，其特征在于所述金屬線圈位于單 端固定的微梁的自由端，或者位于兩端固定的微梁的中間位置。
3.如權利要求1或2所述的復合式微型風力發電機，其特征在于，通過增加微梁的厚度 對金屬線圈下面的微梁進行加強，其中表面有金屬線圈的微梁的厚度是表面沒有金屬線圈 的微梁的厚度的兩倍以上，以確保線圈在該發電機振動部分振動時不被損壞。
全文摘要
一種復合式微型風力發電機，其包括微支架、微梁、壓電結構、金屬線圈、永磁體和底座，所述微梁的單端固定或兩端均固定于微支架上，微支架固定于底座上，微梁、壓電結構和金屬線圈構成復合式微型風力發電機的可動部分。在微梁上設置有壓電結構和金屬線圈，在底座上固定有永磁體，永磁體的Ｓ極或Ｎ極正對金屬線圈平面，并在永磁體與線圈平面之間預留間隙，該發電機同時利用壓電效應和電磁感應原理實現將微結構振動能轉換為電能，具有比單獨采用壓電效應或電磁感應原理的微型風力發電機更高的機電轉換效率。其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H02N2/18GK102064736SQ20101057888
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月8日 優先權日2010年12月8日
發明者印顯方, 杜志剛, 溫志渝, 賀學鋒, 高軍 申請人:重慶大學