基于PVDF的微型复合式能量采集器及制备方法

摘要

本发明提供一种基于PVDF的微型复合式能量采集器及制备方法，利用柔性聚合物压电材料PVDF制备成悬臂梁结构，通过PVDF压电悬臂梁发生谐振，利用压电效应将振动能转化为电能；同时，与之固接的包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块随着PVDF压电悬臂梁的振动也一起振动，使穿过电镀在基底上的平面螺旋线圈的磁通量发生变化，产生感应电动势，从而在外加负载上输出功率。本发明的复合式能量采集器采用聚合物压电材料PVDF来代替传统压电材料PZT，并通过压电式和电磁式两种方式进行能量采集，使得能量采集器的输出功率及效率可以显著提高，并且与生物兼容。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于聚合物压电材料PVDF的微型能量采集器及制备方法，属于微机电系统领域。

背景技术

随着微纳技术的快速发展，大量新型微纳器件与系统不断的开发出来，如微型发电机、纳米结构光电子器件，用于防病治病的纳米药物输运和定向治疗等，但是，微纳产品的供电问题正成为困扰其应用的主要障碍，原因是目前这些微纳系统的供电主要依靠电池。为避免频繁的更换电池，这就要求电池的工作寿命不断延长，而在一些特殊的微纳产品或装置中，特别是在植入式系统（如心脏起搏器，植入式传感器等）中，更换电池或充电更是困难。替代电池作为微纳传感器能源的技术途径主要是从微型器件的环境中采集能量，然后将环境的能量转换成电能。由于振动在工业、建筑甚至生物体中（如肢体运动、血液流动、心脏跳动等）时刻存在，所以采集环境振动的微机电系统（MEMS）压电式能量采集器得到了国内外同行的重视。在已经开展的研究中，压电材料多采用压电陶瓷PZT，如D Isarakorn等人在“Therealization and performance of vibration energy harvesting MEMS devices based on anepitaxial piezoelectric thin film”（SMART MATERIALS AND STRUCTURES，2011，VOL.025015）(中文题目：“一种基于外延压电薄膜的MEMS振动能量采集器件的实现和性能”，国际期刊：精密材料和结构)文章中报道了包含1mm×2.5mm×0.015mm悬臂梁的能量采集器，悬臂梁外延了0.5μm厚的PZT并带有1mm×0.5mm×0.23mm的硅质量块，在2.3kHz的振动频率、5.6kΩ的负载下，可以产生13μW，0.27V的能量。Jeon等人在“MEMS power generator withtransverse mode thin film PZT”(Sensors and Actuators A,2005,122:16-22)(中文题目：“基于PZT薄膜d33压电模式的MEMS能量采集器”，国际期刊：传感器和执行器A)文章中报导了另一种以悬臂梁结构为主的能量采集器。悬臂梁由SiO₂或SiNx膜、ZrO₂层、PZT层以及相互交叉的电极(Pt/Ti)和质量块构成，其中，ZrO₂层能够阻止压电层中电荷的逃逸。在13.91kHz的振动频率下,功率在负载为5.2MΩ时达到最大值1.01μW。然而由于压电陶瓷密度大，脆性大，加工过程中需要高温退火，导致器件生物兼容性、效率等方面有较大不足，且加工难度较大。

PVDF是一种柔性的生物兼容的压电聚合物材料，具有很强的压电性，施加外力时，能产生较大的电压。然而，由于压电材料的内阻特别大，输出的电流很小，当采用单一的压电式能量采集，输出功率仍然偏低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于聚合物压电材料PVDF的微型压电及电磁复合式能量采集器及制备方法。利用柔性聚合物压电材料PVDF（聚偏氟乙烯）取代目前常用的压电陶瓷PZT，并与电磁式能量采集方法共同作用，结合MEMS体硅和表面微机械加工技术来制备微型能量采集器。

本发明的微型能量采集器，包括基底、PVDF压电薄膜、包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块和平面螺旋线圈三个主要部分。硅片上电镀平面螺旋铜线圈，PVDF压电薄膜位于线圈的上方或四周，制成悬臂梁结构，并令其单端固支，PVDF压电悬臂梁的自由端上带有磁性质量块。

当PVDF压电悬臂梁的固有频率接近或等于外界环境的振动频率时，PVDF压电悬臂梁上发生谐振，PVDF压电悬臂梁由于压电效应将振动能转化为电能，其上方的磁性PDMS质量块随着PVDF压电悬臂梁的振动也一起振动，从而穿过平面螺旋线圈的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，平面螺旋线圈就会有感应电动势，从而在外加负载上输出功率。

一种微型能量采集器的制备方法，包括如下步骤：

（a）处理、清洗硅片；

（b）在硅片正面等离子增强化学气相沉积（PECVD）1μm的SiO₂；

（c）溅射100nm的Ti/Cu种子层；

（d）甩正胶、第一次光刻；

（e）电镀平面螺旋Cu线圈；

（f）甩胶、第二次光刻；

（g）制作PDMS支撑架或振动窗口；

（h）去掉光刻胶、去除种子层

（i）将PVDF压电薄膜裁剪成悬臂梁结构，并将包含有磁性纳米颗粒的PDMS质量块粘贴到PVDF压电悬臂梁上,将带有质量块的PVDF压电悬臂梁与平面螺旋线圈、PDMS支撑架或振动窗口组合。

利用本发明制造的基于压电聚合物PVDF的能量采集器的有益效果在于：

（1）本发明包含了两种能量采集的方式：PVDF的压电式输出和磁性质量块、线圈的电磁式输出，可以增加输出功率，提高能量采集的效率；

（2）本发明采用柔性聚合物压电材料PVDF作为压电悬臂梁，能够获得更大的能量输出，且具有很好的生物兼容性，适合生物体应用，不但为微纳传感器自我供电提供了技术途径，而且为微纳传感器在生物体内的无线应用提供了可能，可以应用于内置生物传感器、生物医药监控和生物活体探测等；

（3）本发明利用包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块形成磁场，相比微装配或者手工粘连永磁体，使得能量采集器的制备工艺更加简单，并且可以通过控制PDMS中磁性纳米颗粒的含量改变磁场强度；

（4）本发明的PVDF聚合物压电薄膜，还可以在其他MEMS器件和系统制作上进行应用，比如压电式制动器、压电式传感器等等。

附图说明

图1为含柔性支架的微型复合式能量采集器的结构示意图；

图2为本发明的振动悬臂梁示意图；

图3为实施例一的工艺流程图；

图4为PVDF压电悬臂梁的自由端与平面螺旋线圈串联输出端的结构示意图；

图5为PVDF压电悬臂梁的自由端与平面螺旋线圈并联输出端的结构示意图；

图6（a）为含振动窗口的微型复合式能量采集器正面结构示意图；

图6（b）为含振动窗口的微型复合式能量采集器背面结构示意图；

图7为实施例二的工艺流程图。

其中：

1-PVDF压电悬臂梁； 2-平面螺旋线圈； 3-PDMS质量块；

4—柔性支架；      5—振动窗口。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

一种压电及电磁复合式MEMS能量采集器，包括基底、PVDF压电薄膜、平面螺旋线圈2、包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3，以及柔性支架4或振动窗口5，含柔性支架4的微型复合式能量采集器如图1所示。

所述PVDF压电薄膜制成悬臂梁结构，其自由端与包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3相连，另一端与柔性支架或振动窗口固定。通过PVDF压电悬臂梁1将振动能转化为电能，以及包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3与平面螺旋线圈2之间的电磁感应输出功率，实现压电及电磁复合式能量的输出。

PVDF压电悬臂梁1的尺寸设计如下：

根据弹性力学原理，单端固支梁的弹性系数为：

$>k=\frac{{\mathrm{EWH}}^3}{{4L}^3}---\left(1\right)$>

式中，E为悬臂梁的杨氏模量，L、W、H分别为悬臂梁的长度、宽度和厚度，如图2所示。

能量采集器系统的固有频率为：

$>f_{\mathrm{res}}=2\pi \sqrt{\frac{k}{m}}---\left(2\right)$>

式中，m为振动梁和磁性质量块的质量之和。

根据Roundy模型，对于给定的负载电阻R_L，压电悬臂梁的输出功率为

$>P=\frac{1}{{\omega }^2}\frac{R_L{C}_P^2{\left(\frac{Y_C{\mathrm{dt}}_c{b}^{*}}{ϵ}\right)}^2{A}_{\mathrm{in}}^2}{({4\zeta }^2+k^2){\left(R_L{C}_P\omega \right)}^2+4{\mathrm{\zeta k}}^2\left(R_L{C}_P\omega \right)+{4\zeta }^2}---\left(3\right)$>

式中，b^*为压电梁几何常量，t_c为压电层厚度，Y_C为压电材料弹性模量，ε为压电材料介电常数，ζ为阻尼系数，ω为振动角频率，C_P为压电部分等效电容，A_in为输入振幅，d为压电系数。

根据(1)-(3)式，可以确定能量采集器的谐振频率和输出功率，从而设计出采集外界环境不同振动频率、具有不同输出功率的能量采集器，如果采集对象是生物体，只要外加一些处理电路，就可以采集生物体运动能量。

实施例1

一种压电及电磁复合式MEMS能量采集器，包括基底、PVDF压电薄膜、平面螺旋线圈2、包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3，还包括柔性支架4，即PDMS支撑架，如图1所示。PVDF压电薄膜制成悬臂梁结构，所述基底由表面淀积了一层SiO₂的硅片构成，平面螺旋线圈2电镀于SiO₂层之上，柔性支架4也位于SiO₂层之上，并位于平面螺旋线圈2的周围。PVDF压电薄膜裁剪成悬臂梁结构，包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3固定于PVDF压电悬臂梁1的自由端，PVDF压电悬臂梁1的另一端固支于柔性支架4上，如图2所示。PVDF压电悬臂梁1的自由端为输出端，与平面螺旋线圈2输出端可以串联，如图4所示，也可并联，如图5所示，具体情况可视需要而定。

当环境中的振动频率与PVDF压电悬臂梁1的固有频率接近或等于时，将会引起PVDF压电悬臂梁1的谐振，PVDF压电悬臂梁1由于压电效应将振动能转化为电能，实现能量的输出；同时，PVDF压电悬臂梁1自由端的包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3随着PVDF压电悬臂梁1一起振动，使得穿过平面螺旋线圈2的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，平面螺旋线圈2会产生感应电动势，从而在外加负载上输出功率。

一种压电及电磁复合式MEMS能量采集器制备方法，采用表面为机械加工的方法，即利用电镀工艺形成平面螺旋线圈，然后再光刻形成固定悬臂梁所用的柔性支架。

在对硅片进行常规清洗、处理（见图3（a））之后，在硅片正面等离子增强化学气相沉积（PECVD）1μm的SiO₂（见图3（b）），然后：

（1）溅射Ti/Cu种子层

采用真空溅射的方法制备200nm的Ti/Cu种子层。在真空环境中50W功率的条件下溅射1个小时，可得到总厚度为200nm的Ti/Cu种子层，如图3（c）所示。

（2）电镀制作平面螺旋线圈2

在溅射Ti/Cu种子层之后，甩一层10μm的正胶AZ P4903，曝光时间70s，显影时间120s，即图3（d），然后电镀平面螺旋线圈2，即图3（e）。平面螺旋线圈2的匝数为15，导线宽度为100μm，导线间距为100μm，材质为Cu。

（3）制作柔性支架（PDMS支撑架）

在电镀平面螺旋线圈2之后，再甩一层10μm的正胶AZ P4903，曝光时间220s，显影时间150s，即图3（f），然后在被曝光的光刻胶槽处滴注PDMS，如图3（g）所示。然后在真空锅中抽真空30分钟以去除PDMS中的气泡，最后放入70℃的烘箱中烘烤2h。取出冷凝，无版曝光、显影后，去除光刻胶、种子层，即可得到PDMS柔性支架4，如图3（h）所示。

（4）制作磁性质量块

在液态的PDMS中加入磁性纳米颗粒，PDMS和磁性纳米颗粒的质量比为5:1，然后在真空锅中抽真空30分钟以去除PDMS中的气泡，再用一强磁场对磁性纳米颗粒进行磁化，最后放入70℃的烘箱中烘烤2h。取出冷凝后手工切割成2cm*2cm的方块，即可获得包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3。

（5）粘贴PVDF压电薄膜、磁性质量块、柔性支架构成能量采集器

本发明选用的是锦州科信电子材料有限公司生产的100μm厚聚偏氟乙烯（PVDF）压电膜。将PVDF压电薄膜裁剪出2cm*5cm的悬臂梁结构，把包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块与PVDF压电悬臂梁1的一端相连，并将PVDF压电悬臂梁1的另一端固定于柔性支架4上。此时，平面螺旋线圈2位于PVDF压电悬臂梁1的下方。压电及电磁复合式MEMS能量采集器就此完成，如图3（i）所示。

实施例2

一种压电及电磁复合式MEMS能量采集器制备方法，采用体硅和表面微机械加工技术相结合的三维微机械加工方法，包括基底、PVDF压电薄膜、平面螺旋线圈2、包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3，还包括振动窗口5，如图6所示。即利用体硅微机械加工技术的方法刻蚀硅，形成PVDF压电悬臂梁的振动窗口，并在硅片上通过表面微机械加工的方法制作平面螺旋线圈2。

其制作步骤与实施例1大致相同，只不过在制作完成平面螺旋线圈2后，接着采用湿法刻蚀技术制作振动窗口5，而不再制作柔性支架4。

步骤（3）为振动窗口制作，过程如图7所示，具体为：

湿法刻蚀SiO₂所用的腐蚀剂为缓冲氧化硅腐蚀液，腐蚀液成分为HF:NH₄F:H₂O=84:339:510（质量比），刻蚀温度为45℃，腐蚀速率为0.4μm/min。SiO₂的腐蚀为各向同性腐蚀，由于HF酸对SiO₂的腐蚀速率远大于对Si的腐蚀，因此在正胶的掩蔽作用下，光刻图形地方的SiO₂将被HF酸腐蚀。腐蚀SiO₂后，采用KOH溶液（配比KOH：H₂O=44g：100ml）腐蚀Si，刻蚀温度为85℃，腐蚀速率为1.4μm/min，Si的腐蚀为各向异性腐蚀，被HF酸刻蚀的SiO₂下方的Si被刻蚀掉，形成PVDF压电悬臂梁的振动窗口5。

步骤（4）磁性质量块的制作过程与实施例一相同。

最后步骤（5）粘贴PVDF压电薄膜、磁性质量块、硅片构成能量采集器的过程为：

将PVDF压电薄膜裁剪出2cm*5cm的悬臂梁结构，把包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块3与PVDF压电悬臂梁1的一端相连，并将PVDF压电悬臂梁1的另一端固定于硅片背面，PVDF压电悬臂梁1的自由端（即与包含磁性纳米颗粒的PDMS质量块相连的一端）位于预留的振动窗口5内，此时，平面螺旋线圈2位于PVDF压电悬臂梁1的侧上方。压电及电磁复合式MEMS能量采集器就此完成。

以上仅列举本发明的典型实施例，为方便本领域内人员的理解，但本发明并不以此为限。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围以权利要求书为准。