无线传感器网络、嵌入式系统、射频识别(RFID) 、无线通讯等技术发展迅速。在由这些技术组成的网络和系统中,微型传感器等无线元器件得到广泛应用。这些元器件一般数目庞大、位置分散、体积微小。因此,相应元器件要求其供电部分具有体积小、集成度高、寿命长甚至无需更换、无人看管等特点。传统电池体积大、质量大、供能寿命有限,能量耗尽需更换或反复充电 。近年来,微型高能电池蓬勃发展,它可以满足对无线元器件供能的需求,但是它的能量密度及供能寿命仍然有限。另外,对于一些需要长时间(工作时间以年为单位)工作的分散式、嵌入式元器件而言,更换电池极大地增加了成本,尤其是元器件数目较多,甚至由于位置偏远或难以触及(比如战场、人体内) 的原因而无法更换。
为了摆脱对电池的依赖而实现对无线元器件供能的要求,研究人员提出了微能量采集技术 。它是把周围环境中的能量转换为电能,为元器件供能。在各种能量源中,振动机械能广泛存在,且能量密度大,因此在微能量采集技术中,是一种比较好的选择。
振动机械能转换为电能的方法有三种:电磁式、静电式、压电式 ,其中压电式换能方式结构简单,便于MEMS 加工,能量采集密度大,且无需启动电压,在实际应用中满足嵌入式系统和无线传感网络的要求。
压电能量采集器的研究已经取得了一些进展。Glynne Jones et al . 提出了一种方法来设计和建立振动能量采集器, 它描述了一种体压电采集器。Roundy et al . 报道了一种微小压电悬臂梁结构(长9225 mm) ,它能在加速度2. 5 m/ s2 频率为120 的条件下产生375 μW 的能量。Sood 在他的论文中描述了一种压电微能量采集器。这种采集器利用d33模式把声能转换为电能,它的工作频率在20～40kHz ,能量输出约为1μW。以上已报道的能量采集器要么尺寸较大,属于非MEMS 范围;要么工作频率过高,只适用于特殊场合。因此,本文提出了一种基于MEMS 技术制作,工作于低频振动环境(频率小于1 000 Hz) 的压电微能量采集器,并通过一种能量采集电路完成了测试。
1 能量采集器结构及工艺
压电效应有两种: d31 和d33 模式[8 ] 。本文介绍了一种采用d33 模式制作的复合悬臂梁式结构,如图2 。它由Pt/ Ti 叉指电极, PZT 压电层, ZrO2 , SiO2和Si 层组成,在梁的自由端加一镍质量块,如图1 。其中叉指电极可以产生d33 模式的响应电场; ZrO2层作为绝缘层可以阻挡PZT 层产生的电荷泄漏。
图1 d33模式压电型微能量采集器结构图
质量块是用来降低梁的谐振频率,以实现工作在低频的环境。这种悬臂梁结构的制作工艺如图2 。首先,在N 型< 100 > 约500 μm 厚的硅片上双面热氧化生长约2. 2μm 厚的SiO2 层。接着,在SiO2 层上先制备ZrO2 薄膜, 再利用sol - gel 技术在其上涂覆PZT 薄膜。在其上依次溅射Ti 、Pt 。采用HF 溶液在背面刻蚀出SiO2 窗口,纯Ar 气体进行离子轰击使叉指电极图形化, PZT 和ZrO2 层则采用专门的PZT 刻蚀液使其图形化。然后,采用RIE 工艺正面刻蚀SiO2 / Si 层。采用专门夹具保护正面, KOH 溶液刻蚀背面硅。需预留较薄一层硅,以防止过刻蚀。RIE 从背面刻蚀硅直至刻穿释放出悬臂梁。最后,在梁末端加宽度和悬臂梁一致的Ni 质量块。
测试过程如下:信号发生器产生频率为悬臂梁谐振频率的正弦波信号,此信号经功率放大器放大后激励振动台的振动;在合适的振动输入下,粘附于振动台上的样品输出正弦交流电压;在此过程中,示波器可以检测输出电信号,加速度计测量输入的激振加速度,激光位移传感器装置测量悬臂梁在振动过程中各时刻的尖端位移量。如果没有整流电路,输出的电信号是交流电压,而交流电压是不能直接向电子器件供能的,必须转换成直流电压。因此,交流电通过桥式整流电路转换为直流电,加载于负载
电阻或给电容充电,如图4 。
图4 桥式整流及存储电路示意图
在大量的测试中,得到了在固有频率512 Hz下,交流电压输出峰- 峰值为1. 2 V ,如图5 。
图5 交流电压峰2峰值与频率关系图
通过测试还可以初步得出:振动能量采集器的输出与几何结构参数、压电模式、外界环境的振动因素和PZT 材料本身的特性有关。
3 总结与展望
由于各种条件的制约,这种基于MEMS 技术的振动能量采集器提供的能量一般较低(μW 级别) ,除了一些特殊场合,这些能量还不能满足大多数电子设备的需求。因此,微能量采集技术应该在以下方向取得突破: (1) 发展低功耗电子技术及先进电源管理技术,降低微型电子器件的功耗。(2) 设计新的采集器结构或研究新材料,提高能量转换效率和功率。(3) 在同一电子器件中,不同能量采集方式的结合,将会极大地提高采集能量的能力。虽然微能量采集技术以及相应的电子器件还没有得到广泛应用,但是它已经向我们展示了诱人的前景。
