CN105846711B - 静电式振动能量采集器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种静电式振动能量采集器，包括变间距式可变电容结构以及偏置电压生成装置；变间距式可变电容结构包括固定极板和运动极板；固定极板包括第一基体和第一电极层；第一基体上开设有凹槽；第一电极层形成于第一基体上开设有凹槽的一面；运动极板与固定极板相对设置；运动极板包括支撑构件、运动质量块和第二电极层；支撑构件用于支撑运动质量块并使得运动质量块位于凹槽上方；运动质量块上与凹槽相对的一面和凹槽内至少有一处设置有凸点；偏置电压生成装置用于生成偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场。上述静电式振动能量采集器的结构简单且稳定性较好。本发明还涉及一种静电式振动能量采集器的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及能量采集技术领域，特别是涉及一种静电式振动能量采集器及其制备方法。
背景技术
能量采集技术作为一种新型的供电方式，通过能量采集器将随处可见的再生能源，如机械振动、风能、太阳能、热能、核能等转换为电能，并结合相匹配的电源管理电路，为负载提供电能。振动式能量采集器是能量采集器中的一种，它可以将自然界普遍存在的机械振动能量转换为电能，进而不间断地为各种低功耗电子元件或者微系统供电。传统的静电式振动能量采集器的结构较为复杂且稳定性较差，不适合大规模低成本生产。
发明内容
基于此，有必要提供一种结构简单且稳定性较好的静电式振动能量采集器及其制备方法。
一种静电式振动能量采集器，包括变间距式可变电容结构以及偏置电压生成装置；所述变间距式可变电容结构包括固定极板和运动极板；所述固定极板包括第一基体和第一电极层；所述第一基体上开设有凹槽；所述第一电极层形成于所述第一基体上开设有凹槽的一面；所述运动极板与所述固定极板相对设置；所述运动极板包括支撑构件、运动质量块和第二电极层；所述支撑构件与所述第一基体连接；所述支撑构件用于支撑所述运动质量块并使得所述运动质量块位于所述凹槽上方；所述第二电极层形成于所述运动极板上与所述固定极板相对的一面；所述运动质量块上与所述凹槽相对的一面和所述凹槽内至少有一处设置有凸点；所述偏置电压生成装置用于生成偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场。
在其中一个实施例中，所述第一基体、所述支撑构件和所述运动质量块均由硅基材料制成。
在其中一个实施例中，所述偏置电压生成装置为驻极体；所述驻极体覆盖在所述第一电极层表面；所述驻极体上存在电荷分布从而为所述变间距式可变电容结构提供偏置电压。
在其中一个实施例中，所述支撑构件包括支撑主体和悬臂梁结构；所述支撑主体为中空结构，用于放置所述运动质量块；所述悬臂梁结构分别与所述支撑主体、所述运动质量块连接。
在其中一个实施例中，所述第一基体的凹槽内设置有多个凸点；所述运动质量块上对应位置处同样设置有凸点；所述运动质量块上的凸点在所述运动质量块不受外力时不与所述第一基体上的凸点接触。
一种静电式振动能量采集器的制备方法，包括步骤：制备固定极板；所述固定极板包括第一基体和第一电极层；所述第一基体上开设有凹槽；所述第一电极层形成于所述第一基体上开设有凹槽的一面；制备运动极板；所述运动极板包括支撑构件、运动质量块和第二电极层；所述支撑构件用于支撑所述运动质量块；所述第二电极层形成于所述运动极板上与所述固定极板相对的一面；所述运动质量块上与所述凹槽相对的一面和所述凹槽内至少有一处设置有凸点；提供偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场；以及将所述固定极板与所述运动极板相对设置并固定连接；所述支撑构件与所述第一基体连接；所述运动质量块在所述支撑构件的支撑作用下位于所述凹槽的上方。
在其中一个实施例中，所述制备方法均采用MEMS微加工工艺来制备；所述第一基体、所述支撑构件和所述运动质量块均由硅基材料制成。
在其中一个实施例中，所述制备固定电极的步骤包括：提供双面形成有二氧化硅层的晶片；在所述晶片双面形成光刻胶，并对晶片正面的光刻胶进行光刻以获得结构图形；以所述光刻胶为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，以去除晶片正面裸露的二氧化硅层后将光刻胶去除，形成由二氧化硅组成的结构图形；以二氧化硅为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，刻蚀单晶硅得到凸点；采用等离子体干法刻蚀工艺去除凸点表面的二氧化硅层；以二氧化硅层为掩膜层，刻蚀单晶硅形成凹槽；在所述晶片的凹槽所在面形成一层金属层作为第一电极层。
在其中一个实施例中，所述提供偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场的步骤包括：在所述第一电极层表面形成一层驻极体；对所述驻极体进行充电以使得所述驻极体上存在电荷分布。
在其中一个实施例中，所述制备运动极板的步骤包括：提供双面形成有二氧化硅层的晶片；在所述晶片双面形成光刻胶，并对晶片正面的光刻胶进行光刻以获得结构图形；以所述光刻胶为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，以去除晶片正面裸露的二氧化硅层后将光刻胶去除，形成由二氧化硅组成的结构图形；以二氧化硅为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，刻蚀单晶硅直至剩余单晶硅的厚度达到目标厚度；在所述晶片反面形成光刻胶，并进行刻蚀以获得结构图形；以光刻胶为掩膜层，采用等离子体干法刻蚀的方法，去除晶片反面裸露的二氧化硅层，并去除所述光刻胶；以二氧化硅为掩膜层，对晶片正面和反面同时进行湿化学刻蚀，刻穿所述晶片从而形成支撑构件和运动质量块，并形成与固定极板上的凸点对应的凸点；在有凸点的一侧形成一层金属层作为第二电极层。
上述静电式振动能量采集器包括变间距可变电容结构，该变间距可变电容结构包括固定极板和运动极板。其中，固定极板包括第一基体和第一电极层，运动极板则包括支撑构件、运动质量块以及第二电极层，整体结构较为简单，有利于大规模低成本生产。并且，运动质量块上与所述凹槽相对的一面和第一基体的凹槽内至少有一处设置有凸点，凸点能够起到防静电吸附作用，从而避免器件工作时，由于静电吸附作用导致固定极板与运动极板粘附在一起无法分开而损坏器件的情况发生，器件性能较为稳定，有利于延长器件的使用寿命。
附图说明
图1为一实施例中的静电式振动能量采集器的轴测图；
图2为图1中的静电式振动能量采集器的轴测剖视图；
图3为图1中的静电式振动能量采集器的剖视图；
图4为图1中的固定极板的结构示意图；
图5为图1中的运动极板的结构示意图；
图6为一实施例中的静电式振动能量采集器的制备方法的流程图；
图7为图6中步骤S610的具体流程图；
图8a～8h为与图7中的制备流程对应的器件的结构示意图；
图9为图6中步骤S620的具体流程图；
图10a～10h为与图9中的制备流程对应的器件的结构示意图；
图11为一实施例中的静电式振动能量采集器的测试电路示意图；
图12为一实施例中的静电式振动能量采集器工作时最佳负载电阻的测试曲线；
图13为一实施例中的静电式振动能量采集器在外部负载阻值是8.5MΩ时，正弦驱动信号频率从245Hz到305Hz变化时的输出功率变化曲线；
图14为一实施例中的静电式振动能量采集器在外部驱动信号为随机信号时，测试带通(272±12.5Hz)情况下的输出功率变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种静电式振动能量采集器，能够将振动能量转换为电能进行存储或者向外供电。一实施例中的静电式振动能量采集器采用变间距式可变电容结构，其包括固定极板100、运动极板200以及偏置电压生成装置(图1中未示)，如图1所示。图2作为该静电式振动能量采集器的轴测剖视图；图3为该静电式振动能量采集器的剖视图；图4为固定极板100的结构示意图，图5为运动极板200的结构示意图。下面结合图1～图5对本实施例中的静电式振动能量采集器做详细说明。
固定极板100包括第一基体110和第一电极层120。在本实施例中，第一基体110为硅基材料制备而成，包括晶向为(100)的单晶硅310，以及形成于单晶硅310双面的二氧化硅层320。第一基体110的双面经过抛光氧化处理。第一基体110上形成有凹槽140，以提供足够的移动空间给运动质量块220。固定极板100上的凹槽140的深度会影响可变电容范围的最大最小值，可以根据实际需求进行设计。第一电极层120为金属导电层，其覆盖在第一基体110上形成有凹槽140的一侧(即与运动极板200相对的一侧)。第一电极层120可以采用磁控溅射、蒸镀和电镀等方式制备得到。第一电极层120作为固定极板100的电极。第一基体110的凹槽140内还设置有凸点150。该凸点150用于防静电吸附，即其可以避免器件工作时，由于静电吸附作用导致固定极板100与运动极板200粘附在一起无法分开而损坏器件的情况发生，从而使得产品的性能稳定性较好。凸点150的个数以及高度可以根据实际需要进行设定。在本实施例中，凸点150为5个，其中1个位于凹槽140的中心，其他4个则围绕中心位置的凸点均匀对称分布。
运动极板200与固定极板100相对设置，且通过键和技术进行连接，从而形成变间距式可变电容结构。运动极板200包括支撑构件210、运动质量块220以及第二电极层230。其中，支撑构件210与固定极板100的第一基体110连接。支撑构件210用于支撑运动质量块220，从而使得运动质量块220位于固定极板100的凹槽140上方。第二电极层230覆盖在运动极板200上与固定极板100相对的一侧。在本实施例中，支撑构件210和运动质量块220均为硅基材料构成，且为一体结构。支撑构件210和运动质量块220和第一基体110一样，均由单晶硅310以及形成于单晶硅310双面的二氧化硅层320构成。在其他的实施例中，支撑构件210和运动质量块220也可以为独立结构并通过键和技术进行相互连接。支撑构件210包括支撑主体212和悬臂梁结构214。支撑主体212为中空结构，用于放置运动质量块220。悬臂梁结构214分别与支撑主体212和运动质量块220连接，从而实现对运动质量块220的支撑。在本实施例中，设置有四个悬臂梁结构214，且四个悬臂梁结构214对称分布于支撑主体212上。在其他的实施例中，悬臂梁结构214可以根据凹槽140的形状以及运动质量块220的质量进行设置，而不限于本实施例的具体结构。支撑构件210如悬臂梁结构214的长度、厚度以及宽度会影响器件的谐振频率，因此可以根据需要进行设计。在本实施例中，运动质量块220上与凹槽140相对的一面同样设置有凸点240，且该凸点240与第一基体110上的凸点150一一对应设置。为确保静电式振动能量采集器能够正常工作，在运动质量块220没有受到外力作用时，第一基体110上的凸点150与运动质量块220上的凸点240不接触。在其他的实施例中，也可以仅在第一基体110上或者仅在运动质量块220上设置凸点。从图2中可以看出，凸点150和240可以阻隔两极板之间由于驻极体130表面静电吸附力而导致运动极板200和固定极板100的相互接触粘附。
偏置电压生成装置用于生成偏置电压以在固定极板100和运动极板200之间形成固定电场。当周围环境的振动驱使可变电容的运动极板200上的运动质量块220发生运动，导致极板间距发生变化，此时极板间的固定电场就会发生变化，继而对外输出电能，实现振动能量到电能的转换，完成对振动能量的采集。在本实施例中，偏置电压生成装置采用内置驻极体130。驻极体130覆盖在固定极板100的第一电极层120表面，并且预留有部分裸露电极，以方便第一电极层120与外部电性连接。具体地，驻极体130至少完全覆盖位于凹槽140内的第一电极层120。驻极体130可以驻存电荷，以形成固定电场，从而为可变电容提供偏置电压。驻极体130可以采用无机驻极体材料或者有机驻极体材料，涂覆方式可以采用旋涂或者喷涂。驻极体130上驻存的电荷的极性可以为负也可以为正。驻极体130在制备完成后需要充电才能存在电荷分布。可以采用电晕充电的方法对驻极体130进行充电。充电时，固定极板100上的裸露第一电极层120接地，电晕充电尖端施加高电压，电荷会在强电场的作用下迁移到驻极体130表面及内部，形成稳定的高密度固定电荷(此电荷的极性取决于电晕充电尖端电压的极性)。此高密度稳定的固定电荷可为可变电容提供偏置电压。在本实施例中，驻极体130在固定极板100的制备过程同时制备完成。在其他的实施例中，也可以不设置驻极体130，而采用外置的偏置电压生成装置为可变电容提供偏置电压，进而使得极板之间形成固定电场。
上述静电式振动能量采集器包括变间距可变电容结构，该变间距可变电容结构包括固定极板100和运动极板200。其中，固定极板100包括第一基体110和第一电极层120，运动极板200则包括支撑构件210、运动质量块220以及第二电极层230，整体结构较为简单，有利于大规模低成本生产。并且，运动质量块220上与凹槽140相对的一面和第一基体110的凹槽140内至少有一处设置有凸点。凸点能够起到防静电吸附作用，从而避免器件工作时，由于静电吸附作用导致固定极板100与运动极板200粘附在一起无法分开而损坏器件的情况发生，性能的稳定性较好。上述静电式振动能量采集器可以采用MEMS微加工工艺制备得到，从而实现振动能量采集器的微小型化制造，从而使得本实施例中的静电式振动能量采集器能实现大范围内的应用。
本发明实施例还提供了一种静电式振动能量采集器的制备方法，用于制备上述静电式振动能量采集器。在本实施例中，该制备方法均采用MEMS微加工工艺来制备。图6为一实施例中的静电式振动能量采集器的制备方法的流程图，包括以下步骤。
S610，制备固定极板。
根据固定极板的结构需求制备固定极板。在本实施例中，固定极板中的第一基体为硅基材料，第一电极层为金属层，其制备流程如图7所示，包括以下子步骤。
S702，提供双面形成有二氧化硅层的晶片。
将一块双面氧化抛光的晶向为(100)的硅晶片进行标准的清洗，得到洁净的晶片，如图8a所示。
S704，在晶片双面形成光刻胶，并对晶片正面的光刻胶进行光刻以获得结构图形。
在本实施例中，以晶片的一面为正面，则相对面为反面。在晶片正面旋涂光刻胶，并采用光刻工艺，获得由光刻胶形成的微结构图形。在晶片反面旋涂光刻胶以保护反面的二氧化硅层。制备完成的结构如图8b所示。
S706，以光刻胶为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，以去除晶片正面裸露的二氧化硅层并去除光刻胶，形成由二氧化硅组成的结构图形。
以光刻胶为掩膜层，对所得的微结构图形进行BOE(Buffered Oxide Etchant，缓冲蚀刻液)湿化学刻蚀，去除晶片正面裸露的二氧化硅层后将光刻胶去除，从而形成由二氧化硅组成的微结构图形，如图8c所示。
S708，以二氧化硅为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，刻蚀单晶硅得到凸点。
以二氧化硅作为掩膜层，对得到的微结构图形进行KOH湿化学刻蚀，刻蚀一定深度的单晶硅，得到设计需要的固定高度的微小凸点。凸点可以避免器件工作时，由于驻极体表面静电吸附作用导致变间距式可变电容的两极板粘附在一起无法分开而损坏器件。图8d是完成步骤S708的示意图。
S710，采用等离子体干法刻蚀工艺去除凸点表面的二氧化硅层。
完成步骤S710后得到的器件结构如图8e所示。
S712，以二氧化硅层为掩膜层，刻蚀单晶硅形成凹槽。
以二氧化硅为掩膜层，进行KOH湿化学刻蚀，刻蚀一定深度的单晶硅，得到设计需要的固定深度的凹槽，如图8f所示。
S714，在晶片的凹槽所在面形成一层金属层作为第一电极层。
在晶片的凹槽所在面，也即晶片的正面采用磁控溅射一层金属，作为固定极板的电极，如图8g所示。在其他的实施例中，也可以采用蒸镀和电镀等方式进行制备。
完成步骤S714则完成了固定极板的制备。在本实施例中，由于偏置电压生成装置采用内置驻极体的结构，因此在完成S714后还会继续制备偏置电压生成装置，即S716～S718。在其他的实施例中，若偏置电压生成装置采用外置装置，则无需执行S716～S718。
S716，在第一电极层表面形成一层驻极体。
在第一电极层也即金属层表面形成一层驻极体，并预留部分裸露电极。驻极体至少完全覆盖凹槽所在区域，如图8h所示。
S718，对驻极体进行充电。
通过电晕充电的方式为固定极板表面的驻极体材料充电，使得驻极体上存在电荷分布，从而可以形成固定电场。
S620，制备运动极板。
根据运动极板的结构进行运动极板的制备。图9为一实施例中的运动极板的制备流程，包括以下子步骤。
S902，提供双面形成有二氧化硅层的晶片。
将一块双面氧化抛光的硅(100)晶片进行标准的清洗，得到洁净的晶片，如图10a所示。
S904，在晶片双面形成光刻胶，并对晶片正面的光刻胶进行光刻以获得结构图形。
在本实施例中，以晶片的一面为正面，则相对面为反面。在晶片正面旋涂光刻胶，并采用光刻工艺，获得由光刻胶形成的微结构图形。在晶片反面旋涂光刻胶以保护反面的二氧化硅层。制备完成的结构如图10b所示。
S906，以光刻胶为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，以去除晶片正面裸露的二氧化硅层并去除光刻胶，形成由二氧化硅组成的结构图形。
以光刻胶为掩膜层，对所得的微结构图形进行BOE(Buffered Oxide Etchant，缓冲蚀刻液)湿化学刻蚀，去除晶片正面裸露的二氧化硅层后将光刻胶去除，从而形成由二氧化硅组成的微结构图形，如图10c所示。
S908，以二氧化硅为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，刻蚀单晶硅直至剩余单晶硅的厚度达到目标厚度。
以二氧化硅为掩膜层，对所得的微结构图形进行KOH湿化学刻蚀，刻蚀一定深度的单晶硅。刻蚀深度和支撑构件的悬臂梁的厚度有关，通常将刻蚀后留下的单晶硅的厚度为悬臂梁厚度的两倍。图10d为完成S908后器件的结构示意图。
S910，在晶片反面形成光刻胶，并进行刻蚀以获得结构图形。
在晶片反面旋涂光刻胶，采用光刻工艺，获得由光刻胶形成的微结构图形，如图10e所示。
S912，以光刻胶为掩膜层，采用等离子体干法刻蚀的方法，去除晶片反面裸露的二氧化硅层，并去除光刻胶。
图10f为完成步骤S912的结构示意图。
S914，以二氧化硅为掩膜层，对晶片正面和反面同时进行湿化学刻蚀，刻穿晶片从而形成支撑构件和运动质量块，并形成与固定极板上的凸点对应的凸点。
以二氧化硅做掩膜层，对晶片正反两面同时进行KOH湿化学刻蚀，刻穿晶片，释放悬臂梁结构，完成四悬臂梁-运动质量块的加工，在本实施例中，运动质量块上同样设计了凸点，与固定极板侧的凸点对应，作用相同。在其他的实施例中，也可以仅在第一基体上设置凸点或者仅在运动质量块上设置凸点。图10g为完成S914后器件的结构示意图。
S916，在有凸点的一侧形成一层金属层作为第二电极层。
在有凸点的一侧测控溅射一层金属，作为运动极板的电极。在其他的实施例中，也可以采用蒸镀和电镀等方式进行制备。图10h为完成S916后器件的结构示意图。
完成S916即完成了运动极板的制备，如图5所示。
S630，将固定极板与运动极板相对设置并固定连接。
在本实施例中，由于偏置电压生成装置在固定极板制备过程中即同时完成了制备，故可以将制备好的运动极板与固定极板相对贴附，并通过键和技术进行连接，从而形成一个变间距式可变电容结构。两个极板连接后，支撑构件与第一基体连接，所述运动质量块在支撑构件的支撑下位于凹槽的上方，如图1～3所示。
从上述制备方法可以看出，在两个极板的制备过程，包括的都是简单且重复的工艺步骤，适合大规模低成本生产。构件的结构参数可以根据实际需要进行调整和修改。例如，固定极板上的凹槽深度会影响可变电容范围的最大最小值，可以将实际需求进行设计。支撑构件如悬臂梁的长度、厚度以及宽度会影响器件的谐振频率，因此同样可以根据需要进行设计。并且，将MEMS微加工工艺与静电式振动能量采集器结合，可以制造出微小型化能量采集器。
为进步一说明本实施例中的静电式振动能量采集器的工作性能，下面结合以一具体实施例来进行说明。本实施例所选取的器件的关键结构参数如下：固定极板的凹槽深度300μm、凸点高度60μm、悬臂梁尺寸6mm*0.2mm*0.06mm、运动质量块尺寸9.5mm*9.5mm*0.34mm、驻极体表面电势-400V～-450V。图11为静电式振动能量采集器的测试电路示意图。其测试原理为：器件工作时，通过记录电阻R0两端的电压值，然后经过计算得出电阻(R1+R0)上所消耗的功率，即为器件对外输出的功率值。其次，外加正弦振动，通过调节可变电阻R1，寻找当器件输出功率最大时，最佳的负载阻值(R1+R0)；然后固定负载阻值，逐渐改变正弦振动频率，进行扫频测试，寻找器件的谐振频率；最后将外部驱动改成随机振动，测试以谐振频率为中心频率的某一频率范围内(带通)器件的输出功率。以下结合附图对测试结果进行说明。图12是本实施例中的静电式振动能量采集器工作时最佳负载电阻的测试曲线。随机选取外部正弦驱动信号频率为275Hz，驱动加速度均方根为2.6m/s2，改变负载阻值范围1MΩ-36MΩ，测出最大输出功率对应的负载电阻是8.5MΩ。图13是在外部负载阻值是8.5MΩ时，正弦驱动信号频率从245Hz到305Hz变化，测出器件的输出功率变化曲线，分别选取了四种振动加速度：2.8m/s2，5.6m/s2，7.0m/s2，9.9m/s2。结果显示器件的谐振频率是272Hz，且随着驱动加速度增加，输出功率变大。当加速度增加到约1g时，输出最大功率接近1μW。图14是将外部驱动信号改成随机信号时，测试带通(272±12.5Hz)情况下的输出功率变化，测试了300个循环，每个循环6.4s，此时驱动加速度均方根的平均值是5.8m/s2。结果显示器件输出功率在0.19μW-0.37μW之间波动，平均功率是0.28μW。显然，上述方法制备得到的静电式振动能量采集器能够实现器件的微小型化，且能够实现机械振动能量到电能的转换，进而为各低功耗电子元件或者微系统供电，在微电源方面有较好的应用前景。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种静电式振动能量采集器，其特征在于，包括变间距式可变电容结构以及偏置电压生成装置；所述变间距式可变电容结构包括固定极板和运动极板；
所述固定极板包括第一基体和第一电极层；所述第一基体上开设有凹槽；所述第一电极层形成于所述第一基体上开设有凹槽的一面；
所述运动极板与所述固定极板相对设置；所述运动极板包括支撑构件、运动质量块和第二电极层；所述支撑构件与所述第一基体连接；所述支撑构件用于支撑所述运动质量块并使得所述运动质量块位于所述凹槽上方；所述第二电极层形成于所述运动极板上与所述固定极板相对的一面；所述运动质量块上与所述凹槽相对的一面和所述凹槽内至少有一处设置有刻蚀形成的凸点；
所述偏置电压生成装置用于生成偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场；
其中，在所述运动质量块不受外力时，设置在所述运动质量块上的所述凸点不与所述凹槽接触，设置在所述凹槽上的所述凸点不与所述运动质量块接触；
所述偏置电压生成装置为驻极体；所述驻极体覆盖在所述第一电极层表面，且预留有部分裸露的所述第一电极层用于与外部电性连接。
2.根据权利要求1所述的静电式振动能量采集器，其特征在于，所述第一基体、所述支撑构件和所述运动质量块均由硅基材料制成。
3.根据权利要求1所述的静电式振动能量采集器，其特征在于，所述驻极体上存在电荷分布从而为所述变间距式可变电容结构提供偏置电压。
4.根据权利要求1所述的静电式振动能量采集器，其特征在于，所述支撑构件包括支撑主体和悬臂梁结构；所述支撑主体为中空结构，用于放置所述运动质量块；所述悬臂梁结构分别与所述支撑主体、所述运动质量块连接。
5.根据权利要求1所述的静电式振动能量采集器，其特征在于，所述第一基体的凹槽内设置有多个凸点；所述运动质量块上对应位置处同样设置有凸点；所述运动质量块上的凸点在所述运动质量块不受外力时不与所述第一基体上的凸点接触。
6.一种静电式振动能量采集器的制备方法，包括步骤：
制备固定极板；所述固定极板包括第一基体和第一电极层；所述第一基体上开设有凹槽；所述第一电极层形成于所述第一基体上开设有凹槽的一面；
制备运动极板；所述运动极板包括支撑构件、运动质量块和第二电极层；所述支撑构件用于支撑所述运动质量块；所述第二电极层形成于所述运动极板上与所述固定极板相对的一面；所述运动质量块上与所述凹槽相对的一面和所述凹槽内至少有一处设置有刻蚀形成的凸点；
偏置电压生成装置提供偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场；以及
将所述固定极板与所述运动极板相对设置并固定连接；所述支撑构件与所述第一基体连接；所述运动质量块在所述支撑构件的支撑作用下位于所述凹槽的上方；
其中，在所述运动质量块不受外力时，设置在所述运动质量块上的所述凸点不与所述凹槽接触，设置在所述凹槽上的所述凸点不与所述运动质量块接触；
所述偏置电压生成装置为驻极体；所述驻极体覆盖在所述第一电极层表面，且预留有部分裸露的所述第一电极层用于与外部电性连接。
7.根据权利要求6所述的静电式振动能量采集器的制备方法，其特征在于，所述制备方法均采用MEMS微加工工艺来制备；所述第一基体、所述支撑构件和所述运动质量块均由硅基材料制成。
8.根据权利要求7所述的静电式振动能量采集器的制备方法，其特征在于，所述制备固定极板的步骤包括：
提供双面形成有二氧化硅层的晶片；
在所述晶片双面形成光刻胶，并对晶片正面的光刻胶进行光刻以获得结构图形；
以所述光刻胶为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，以去除晶片正面裸露的二氧化硅层后将光刻胶去除，形成由二氧化硅组成的结构图形；
以二氧化硅为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，刻蚀单晶硅得到凸点；
采用等离子体干法刻蚀工艺去除凸点表面的二氧化硅层；
以二氧化硅层为掩膜层，刻蚀单晶硅形成凹槽；
在所述晶片的凹槽所在面形成一层金属层作为第一电极层。
9.根据权利要求8所述的静电式振动能量采集器的制备方法，其特征在于，所述提供偏置电压以在固定极板和运动极板之间形成固定电场的步骤包括：
在所述第一电极层表面形成一层驻极体；
对所述驻极体进行充电以使得所述驻极体上存在电荷分布。
10.根据权利要求7所述的静电式振动能量采集器，其特征在于，所述制备运动极板的步骤包括：
提供双面形成有二氧化硅层的晶片；
在所述晶片双面形成光刻胶，并对晶片正面的光刻胶进行光刻以获得结构图形；
以所述光刻胶为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，以去除晶片正面裸露的二氧化硅层后将光刻胶去除，形成由二氧化硅组成的结构图形；
以二氧化硅为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，刻蚀单晶硅直至剩余单晶硅的厚度达到目标厚度；
在所述晶片反面形成光刻胶，并进行刻蚀以获得结构图形；
以光刻胶为掩膜层，采用等离子体干法刻蚀的方法，去除晶片反面裸露的二氧化硅层，并去除所述光刻胶；
以二氧化硅为掩膜层，对晶片正面和反面同时进行湿化学刻蚀，刻穿所述晶片从而形成支撑构件和运动质量块，并形成与固定极板上的凸点对应的凸点；
在有凸点的一侧形成一层金属层作为第二电极层。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000022638A (ko) * | 1998-09-10 | 2000-04-25 | 윤종용 | 정전기력을 이용한 광디스크 드라이브의 미소 거울 구동기 및 그 제작 방법 |
| CN1708449A (zh) * | 2002-11-06 | 2005-12-14 | 松下电器产业株式会社 | 带有位移检测功能的微执行器及包括该微执行器的可变形反射镜 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000022638A (ko) * | 1998-09-10 | 2000-04-25 | 윤종용 | 정전기력을 이용한 광디스크 드라이브의 미소 거울 구동기 및 그 제작 방법 |
| CN1708449A (zh) * | 2002-11-06 | 2005-12-14 | 松下电器产业株式会社 | 带有位移检测功能的微执行器及包括该微执行器的可变形反射镜 |
| CN101459390A (zh) * | 2008-12-30 | 2009-06-17 | 浙江师范大学 | 一种介电弹性体材料在发电机上的应用 |
| CN102686507A (zh) * | 2009-10-08 | 2012-09-19 | Vti技术有限公司 | 能量采集的方法和装置 |
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