專利名稱：基于風致振動機理和壓電效應的微型風力發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)領域，特別涉及到MEMS微能 源(Power MEMS)技術。
背景技術：
集成電路和MEMS技術的發(fā)展使具有成千上萬個節(jié)點的無線傳感網絡 的構建成為可能，無線傳感網絡在環(huán)境監(jiān)測、大型建筑物健康監(jiān)測、公共安 全及軍事等領域有著廣闊的應用前景，引起了國內外的廣泛關注。由于電池 尺寸大、壽命有限和需要更換等缺點，在長壽命的無線傳感網絡、設置于危 險環(huán)境的無線傳感網絡和節(jié)點眾多的無線傳感網絡中的應用受到了限制。另 外，便攜式電子產品等對微能源也有巨大需求。將環(huán)境能(如振動能、熱能、 太陽能等)轉換為電能的MEMS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(tǒng)一體化設計等優(yōu)點，是解決無線傳感網絡等的 能源問題的有效途徑之一。
風能是自然界廣泛存在的可再生清潔能源，但目前國際上對基于MEMS 技術的微型風力發(fā)電機的研究幾乎是空白，尚未研制出MEMS微型風力發(fā) 電機。MEMS微型風力發(fā)電機在基于MEMS技術的環(huán)境監(jiān)測、建筑物健康 監(jiān)測等無線傳感網絡中存在廣闊應用前景，研制MEMS微型風力發(fā)電機具 有重大的科學意義和應用價值。大型風力發(fā)電機大多基于法拉第電磁感應定 律，即通過將風能轉換為轉子轉動的動能，轉子將轉動帶動線圈切割磁力線， 產生的感生電動勢可以為負載供電。直接將大型風力發(fā)電機微型化的微型風 力發(fā)電機方案，在加工工藝和理論方面都存在諸多問題，如低摩擦空氣微軸 承的理論(由于尺度效應，摩擦力等表面力在微尺度時影響很大)及制作方法問題，以及多個微結構的組裝方法等問題，因此該方案的可行性尚需進一
步論證。綜合以上分析可見，研究基于新原理的MEMS微型風力發(fā)電機具 有重要的科學意義和廣闊的應用前景。
本發(fā)明從大跨徑橋梁結構及高層建筑等的風致振動現(xiàn)象得到啟示，提出 一種基于風致振動機理的新型MEMS微型風力發(fā)電機。研究發(fā)現(xiàn)，大跨徑 橋梁在設計時不能僅考慮風載荷作用下的靜力響應，還必須考慮結構的動力 響應，即風載荷引起的結構振動，這種振動可能會使駕駛人或乘客感覺不舒 適，也可能引起橋梁結構的疲勞，甚至引起橋梁的風毀事故。橋梁結構抗風 設計的目的是通過結構設計使風致振動盡可能小，換句話說，就是使橋梁結 構將盡可能少地將環(huán)境風能轉換為結構振動能；而基于風致振動機理的 MEMS微型風力發(fā)電機的設計則是利用微結構風致振動現(xiàn)象盡可能多地將 環(huán)境風能轉換為微結構的振動能，但必須對微結構進行設計，以確保微結構 不發(fā)生發(fā)散振動。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出利用微結構的風致振動現(xiàn)象發(fā)電的方法，以及基于 風致振動機理和壓電效應發(fā)電的微型風力發(fā)電機的結構。 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取以下技術方案
基于風致振動機理的微型風力發(fā)電機利用風載荷引起的微結構振動將 環(huán)境風能轉換為微結構的振動能，進一步將微結構振動能轉換為電能，為負 載或儲能器供電。利用壓電效應將微結構振動能轉換為電能的基于風致振動 機理的微型風力發(fā)電機包括硅襯底、含壓電層及壓電層上下表面金屬電極的 復合梁/膜等。其具體工作原理如下環(huán)境風載荷將引起含壓電層的復合MZ 腹結構的振動，復合梁/膜的振動將引起壓電層應力的交替變化，由于壓電效 應，在壓電層的上下電極之間將產生交替變化的電勢差，為負載或儲能器供 電。
4基于風致振動機理的微型風力發(fā)電機的振動部分是復合梁/膜結構，通過 采用微加工技術將復合微梁/膜的某些部分固定于襯底上，微型風力發(fā)電機的 振動復合梁/膜結構可以采用懸臂復合梁、兩端固支復合梁、多點固支復合梁 或部分邊界固支的復合膜等多種結構形式，以上復合微梁/膜包含壓電層及壓 電層上下表面的金屬電極等。
本發(fā)明具有以下特點 1、本發(fā)明提出的基于風致振動機理的微型風力發(fā)電機，首先將環(huán)境風 能轉換為結構振動能，進一步利用壓電效應將微結構的振動能轉換為電能， 為負載或儲能器供電。
2、 以上基于風致振動機理的微型風力發(fā)電機不需要轉動機構，結構簡 單，便于采用硅微加工技術進行批量化加工，成本低。
3、 以上基于風致振動機理和壓電效應的微型風力發(fā)電機具有尺寸小、 壽命長、可以和微傳感器系統(tǒng)一體化設計等優(yōu)點，特別適合于為無線傳感節(jié) 點等供電。
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1是在SOI襯底上生長的二氧化硅示意圖
圖2是刻蝕SOI襯底上層單晶硅的示意圖
圖3是熱氧化的二氧化硅示意圖
圖4是采用剝離工藝制備的金屬電極示意圖
圖5是制備的壓電膜示意圖
圖6是采用剝離工藝制備的金屬電極示意圖
圖7是在SOI基片背面涂的光刻膠示意圖
圖8是釋放后的含一層壓電層的微型發(fā)電機結構示意圖
圖9是含多壓電層的微型發(fā)電機結構示意圖
圖io微型發(fā)電機典型結構一示意圖
圖11微型發(fā)電機典型結構二示意圖
圖12微型發(fā)電機典型結構三示意圖 圖13微型發(fā)電機典型結構四示意圖
具體實施例方式
基于風致振動機理和壓電效應的微型發(fā)電機的典型結構包括硅襯底、含 壓電層及壓電層上下表面金屬電極的復合梁/膜等，其中復合梁/膜可以只包 含一層壓電層(此時復合梁/膜必須包含另一層結構層，以使該壓電層位于梁
/膜中性軸的一側，如以下的圖l-8所示的結構)，也可以包括多層壓電層(采 用多層壓電層可以調節(jié)發(fā)電機的內阻抗或提高發(fā)電機的輸出特性)，如以下 的圖9所示的結構。
以下是本微型發(fā)電機的一種結構，采用的是含一層壓電層的復合梁，其
工藝流程如下
1、 選取雙面拋光的SOI基片為襯底，該SOI基片由厚度約450 500tai 的第一單晶硅層1、厚度約的第一 Si02層2和厚度約1 20tai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 亥U， BHF刻蝕Si02，去除光刻膠，形成Si02層圖形4 (如圖l所示)；
2、 采用感應耦合等離子刻蝕或KOH腐蝕第二單晶硅層3，去除第二Si02 層(如圖2所示)；
3、 熱氧化生長約200nm第三SiO2層5 (如圖3所示)；
4、 采用剝離法和濺射法生長約150nm的下金屬電極(Ti/Pt) 6 (如圖4 所示)；
5、 采用溶膠一凝膠法生長厚度1 10tai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l，到第一Si02層2時停止刻蝕，去除光刻膠，利用HF溶液 去除Si02，釋放發(fā)電機的可動部分(如圖8所示)。
圖8所示的微型發(fā)電機的復合梁只含有一層PZT壓電層，該壓電層也可 以采用其他壓電材料，如PVDF、 ZnO、 A1N等，壓電層的生長也可以采用 濺射、MOCVD等方法。為了調節(jié)微型發(fā)電機的內阻抗，使其與負載的阻抗 匹配，微型發(fā)電機的梁/膜可以采用含有多層壓電層的復合梁/膜，如圖9所 示。
基于風致振動機理的微型風力發(fā)電機可以采用多種結構形式實現(xiàn)，下面
列出四種典型的結構形式典型結構一是固定在襯底IO上的、含壓電層的 懸臂復合梁11，如圖IO所示；典型結構二是兩端均固定于襯底IO上的兩端 固支的、含壓電層的復合梁ll，如圖ll所示；典型結構三由多根固定于襯 底10上的、含壓電層的復合梁11構成，如圖12所示；典型結構四是固定
在襯底IO上的、含壓電層的復合膜12，如圖13所示，圖中的復合膜形狀是
圓形，也可以采用矩形、多邊形等其它形狀。對于前三種典型結構，環(huán)境風
載荷將引起復合梁的振動；對于第四種典型，環(huán)境風載荷將引起復合膜的振 動。在環(huán)境風對復合梁/膜結構施加的動風載荷的頻率與復合梁/膜結構自振 頻率接近時，復合梁/膜結構就會產生劇烈振動，梁/膜結構的振動將導致梁/ 膜的壓電層的應力交替變化，由于壓電效應，壓電層的上下金屬電極之間將 產生電勢差，實現(xiàn)對負載或儲能器供電。
權利要求
1、基于風致振動機理和壓電效應的微型風力發(fā)電機，利用風載荷引起的微結構振動將環(huán)境風能轉換為微結構的振動能，利用壓電效應將微結構的振動能轉換為電能，實現(xiàn)對負載或儲能器的供電；其特征在于，包括硅襯底和采用微加工技術固定于襯底的含壓電層及壓電層上下表面金屬電極的復合梁/膜，環(huán)境風載荷引起含壓電層的微復合梁/膜結構的振動，復合梁/膜的振動引起壓電層應力的交替變化，由于壓電效應，在壓電層的上下電極之間將產生交替變化的電勢差，實現(xiàn)對負載或儲能器的供電。
2、 如權利要求1所述的基于風致振動機理和壓電效應的微型風力發(fā)電 機，其特征在于，所述復合梁/膜中含有一層壓電層及壓電層上下表面的金屬 電極，并且復合梁/膜必須包含另一層結構層，該結構層位于壓電層下表面金 屬層的下面或位于壓電層上表面金屬層的上面，以使壓電層位于復合梁/膜中 性軸的一側。
3、 如權利要求1所述的基于風致振動機理和壓電效應的微型風力發(fā)電 機，其特征在于，所述在復合梁/膜中含有多層壓電層，每一層壓電層的上下 表面均有金屬電極，其中每兩層壓電層之間的金屬電極共用。
4、 如權利要求l、 2或3所述的基于風致振動機理和壓電效應的微型風 力發(fā)電機，其特征在于，微型風力發(fā)電機的復合梁/膜采用懸臂復合梁、兩端 固支復合梁、多點固支復合梁或部分邊界固支的復合膜結構。
全文摘要
本發(fā)明提出利用微結構的風致振動現(xiàn)象發(fā)電的方法，以及基于風致振動機理和壓電效應的微型發(fā)電機，其包括硅襯底、含壓電層及其上下表的金屬電極的復合梁/膜等，當環(huán)境風載荷引起含壓電層的復合梁/膜結構的振動時，梁/膜結構的振動將引起壓電層的應力的交替變化，由于壓電效應，壓電層的上下金屬電極之間將產生交替變化的電勢差，該電勢差可以為負載或儲能器供電。含壓電層的復合梁/膜結構可以采用懸臂復合梁、兩端固支復合梁、多點固支復合梁或部分邊界固支的復合膜等多種結構形式。以上基于風致振動機理的微型風力發(fā)電機不需要轉動機構，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(jié)點等供電。
文檔編號B81B7/00GK101575082SQ20091010410
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月17日 優(yōu)先權日2009年6月17日
發(fā)明者廖海洋, 溫志渝, 賀學鋒 申請人:重慶大學