壓電靜電復合式低頻振動能量采集器的制造方法
【專利摘要】本發明公開一種壓電靜電復合式低頻振動能量采集器，包括：質量塊、PVDF薄膜、柔性可變電容、硅襯底；所述柔性可變電極包括PDMS柔性空腔和位于該空腔上下表面的PDMS碳納米管上電極和PDMS碳納米管下電極；PVDF薄膜設置于柔性可變電容的PDMS碳納米管上電極之上，柔性可變電容的PDMS碳納米管下電極固定于硅襯底之上，質量塊用于降低器件的工作頻率。本發明能使MEMS換能器件在低頻振動環境下獲得較大的輸出功率和較高的能量轉換效率。不但結構簡單，制作容易，體積減小，并且它可運行于低頻環境中，在環境振動范圍內有較高的能量轉換效率。
【專利說明】壓電靜電復合式低頻振動能量采集器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及的是一種能源【技術領域】的裝置，尤其涉及的是一種壓電靜電復合式低 頻振動能量采集器。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著微機電系統MEMS (Micro-Electro-MechanicalSystems微機電系統） 技術的不斷發展，使得微傳感器和微型電子設備等微型系統的應用范圍不斷擴大，已廣泛 應用于醫學、軍事、物聯網等領域。由于這些設備是便攜式的，其電源的性能和質量成了目 前大多數MEMS技術應用的關鍵所在。傳統的電化學電池供電方式存在著壽命短、儲存能量 有限和需要定時更換等缺點，因此不能提供很好的電源解決方案。于是，人們擬采用環境振 動能量采集技術解決以上問題。
[0003] 基于振動的能量采集器物理原理一般有三種：壓電式換能（piezoelectric)、靜 電式換能（electrostatic)和電磁式換能（electromagnetic)。壓電能量采集器依靠壓電 材料自身承受應力變化，實現機械能向電能的轉換，具有結構簡單、能量密度高和壽命長， 可與MEMS加工工藝兼容等優點。因此利用壓電材料獲取環境振動實現能量采集近來成為 研究熱點。
[0004] 目前集成制造的MEMS壓電式振動能量采集器，還難以完全滿足微傳感器和微電 子器件應用的需求：一方面，由于采集器尺寸微小其固有頻率較高，而自然振動頻率主要集 中在小于等于200Hz的小頻率范圍內，因此，目前的MEMS能量采集技術還無法有效在低頻 環境下（小于等于200Hz)進行能量采集，所獲得的輸出電能功率密度還較小。這是由于只 有當采集器的系統頻率于外部振動頻率相匹配產生共振時，才能輸出最大功率，但是，當壓 電能量采集器的系統頻率稍微偏離外部振動頻率時，輸出的功率將急劇地減小；另一方面， 壓電式非常依賴于所用的壓電材料的壓電性能，目前應用范圍較廣的材料是PZT (鋯鈦酸 鉛）陶瓷材料，這種材料的壓電性能較為優異，但是含有鉛對環境有害。
[0005] 經過對技術文獻的檢索發現，文獻號：IEEE: JournalofMicroelectromecha nicalSystems (IEEE 期刊：微機電系統雜志），19. 5 (2010) : 1215 ?1222, JongCheol Park, JaeYeongParkandYoon-PyoLee 等人提出了 一 種 piezoelectricd33_Mode MEMSenergyharvester (d33模式的壓電式微機械系統能量采集器）。該技術利用MEMS工藝 制作成一個硅懸臂梁式的能量采集器，具有較高的能量輸出。但是共振頻率在500Hz以上， 不符合環境振動的頻率范圍，且能量轉換效率較低，且利用了 PZT (鋯鈦酸鉛）陶瓷材料，對 環境有污染。
【發明內容】
[0006] 本發明目的在于克服現有技術的不足，提出一種基于PVDF(聚偏二氟乙烯）材料 的壓電靜電復合式低頻振動能量采集器，使換能原件在低頻振動環境下獲得較大的輸出功 率，以解決傳統的MEMS壓電能量采集器固有頻率高和輸出功率低等問題。
[0007] 本發明通過以下技術方案實現，本發明包括：質量塊、PVDF薄膜、柔性可變電容、 硅襯底；所述柔性可變電極包括PDMS (聚二甲基硅氧烷）柔性空腔和位于該空腔上下表面 的PDMS碳納米管上電極和PDMS碳納米管下電極；PVDF薄膜設置于柔性可變電容的PDMS碳 納米管上電極之上，柔性可變電容的PDMS碳納米管下電極固定于硅襯底之上，質量塊用于 降低器件的工作頻率。
[0008] 優選地，所述的所述的質量塊是由大密度的鎳制作的。
[0009] 優選地，所述的PVDF薄膜的厚度為30?50微米。
[0010] 優選地，所述的柔性可變電容的PDMS碳納米管上電極和PDMS碳納米管下電極是 由PDMS和碳納米管摻雜混合物形成的薄膜導電體。
[0011] 優選地，所述的柔性可變電容的空腔是由PDMS澆注成型的模塊鍵合在一起制備 的。
[0012] 優選地，所述的硅襯底是一塊平整的硅片，用作整個器件的支撐層。
[0013] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
[0014] 本發明柔性可變電容采用PDMS空腔結構，在受外界振動時柔性可變電容的PDMS 碳納米管上電極和PDMS碳納米管下電極之間的距離會發生改變，從而實現了一個可變的 電容，利用電容的變化可以實現機械能向電能的轉換。PVDF薄膜在振動時，發生應變產生壓 電效應，將一部分振動能量轉換為電能。本發明能使MEMS換能器件在低頻振動環境下獲得 較大的輸出功率和較高的能量轉換效率。不但結構簡單，制作容易，體積減小，并且它可運 行于低頻環境中，在環境振動范圍內有較高的能量轉換效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、 目的和優點將會變得更明顯：
[0016] 圖1是本發明的結構示意圖；
[0017] 圖2是本發明中的柔性可變電容的示意圖；
[0018] 圖3是本發明在振動源的作用下發生向下彎曲的示意圖；
[0019] 圖4是本發明在振動源的作用下發生向上彎曲的示意圖；
[0020] 圖中：質量塊1、PVDF薄膜2、柔性可變電容3、硅襯底4、PDMS碳納米管上電極5、 PDMS柔性空腔6、PDMS碳納米管下電極7。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術 人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明 的保護范圍。
[0022] 如圖1所示，本實施例包括：質量塊1、PVDF薄膜2、柔性可變電容3、硅襯底4。質 量塊1設置于PVDF薄膜2上方，PVDF薄膜2附著于柔性可變電容3的上方，柔性可變電容 3的下方固定于平整的娃襯底4上。
[0023] 如圖2所示，本實施例柔性可變電容3包括：PDMS碳納米管上電極5、PDMS柔性空 腔6、PDMS碳納米管下電極7,其中：上電極PDMS碳納米管薄膜5、PDMS柔性空腔6、下電極 PDMS碳納米管薄膜7依次相連。PDMS柔性空腔6上表面設有一層PDMS碳納米管上電極5， 本實例使用PDMS和碳納米管的混合物薄膜；PDMS柔性空腔的下表面設有一層PDMS碳納米 管下電極7,本實例中使用PDMS和碳納米管的混合物薄膜。
[0024] 如圖3所示，位置A為能量采集器在外界振動激勵下發生共振的第一穩態位置，此 時向下位移是最大的，柔性可變電容3的PDMS碳納米管上電極5和PDMS碳納米管下電極 7之間的距離最短，電容是最大的。
[0025] 如圖4所示，位置B為能量采集器在外界振動激勵下發生共振的第二穩態位置，此 時向上位移是最大的，柔性可變電容3的PDMS碳納米管上電極5和PDMS碳納米管下電極 7之間的距離最短，電容是最小的。
[0026] 本實例的工作原理是：當把本裝置放置于環境振動中，在一定的加速度條件下， PDMS柔性空腔6會在第一穩態位置A和第二穩態位置B之間相互切換。當柔性空腔從第一 穩態位置A轉換為第二穩態位置B時，柔性可變電容3的PDMS碳納米管上電極5和PDMS 碳納米管下電極7之間的距離變小，柔性可變電容3的電容變大，同時位于柔性可變電容3 表層的PVDF薄膜2向下彎曲，在PVDF薄膜2的上下表面產生電壓。隨后，由于外界環境的 振動，PDMS柔性空腔6會從第二穩態位置B切換到第一穩態位置A，此時柔性可變電容3的 PDMS碳納米管上電極5和PDMS碳納米管下電極7之間的的距離變大，柔性可變電容3的電 容變小，同時位于柔性可變電容3表層的PVDF薄膜2向上彎曲，在PVDF薄膜2的上下表面 生成電壓。
[0027] 本實施例PVDF壓電靜電復合式低頻振動能量采集器能夠在一個較低的工作頻率 內輸出穩定功率，與現有相關技術相比，其優點是：質量塊能降低器件的工作頻率，使其能 在較低的頻率的環境振動下采集能量，復合式的設計能夠有效提高機械能向電能轉換的效 率。
[0028] 以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述 特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影 響本發明的實質內容。
【權利要求】
1. 一種壓電靜電復合式低頻振動能量采集器，包括：質量塊、PVDF薄膜、柔性可變電 容、硅襯底；所述柔性可變電極包括PDMS柔性空腔和位于該空腔上下表面的PDMS碳納米管 上電極和PDMS碳納米管下電極；PVDF薄膜設置于柔性可變電容的PDMS碳納米管上電極之 上，柔性可變電容的PDMS碳納米管下電極固定于硅襯底之上，質量塊用于降低器件的工作 頻率。
2. 根據權利要求1所述的壓電靜電復合式低頻振動能量采集器，其特征是，所述的柔 性可變電容的PDMS碳納米管上電極和PDMS碳納米管下電極是由PDMS和碳納米管摻雜混 合物形成的薄膜導電體。
3. 根據權利要求1所述的壓電靜電復合式低頻振動能量采集器，其特征是，所述的柔 性可變電容的空腔是由PDMS澆注成型的模塊鍵合在一起制備的。
4. 根據權利要求1-3任一項所述的壓電靜電復合式低頻振動能量采集器，其特征是， 所述的質量塊是由大密度的鎳制作的。
5. 根據權利要求1-3任一項所述的壓電靜電復合式低頻振動能量采集器，其特征是， 所述的PVDF薄膜的厚度為30?50微米。
6. 根據權利要求1-3任一項所述的壓電靜電復合式低頻振動能量采集器，其特征是， 所述的硅襯底是一塊平整的硅片，用作整個器件的支撐層。
【文檔編號】H02N1/00GK104065301SQ201410250949
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2014年6月6日
【發明者】楊斌, 朱雁博, 劉景全, 陳翔, 楊春生 申請人:上海交通大學