基于电镀铜平面弹簧的微型电磁式振动能量采集器

　　0　引言

　　随着无线传感网络和微机电系统(MEMS)的迅速发展[1, 2],如何有效地为它们供电受到越来越多的关注。目前给这些系统供电主要依赖电池和电力电线,但是,电池的寿命短,存储能量有限,相对被供电器件而言体积和质量大,而且在某些应用中更换电池成本很高,过程复杂。电力线造价昂贵,维护困难,在某些嵌入式系统中根本无法使用。因此,电池和电力电线已经成为无线传感产品和MEMS器件发展的一大障碍。振动能量采集器可以自动地把环境中存在的振动能转换成电能[3],它的工作方式主要有三种:静电式、压电式和电磁式[4]。静电式振动能量采集器在开始工作时需要一个外界电压驱动,压电式振动能量采集器的制作工艺很难与微电子加工技术兼容[5]。电磁式振动能量采集器无上述缺点,并且有体积小、工艺简单、可应用于各种恶劣环境等优点,因此越来越受到科学家和工程师的青睐。从1995年开始世界上许多研究机构,例如英国sheffield大学、香港中文大学、英国南安普敦大学和澳大利亚皇家墨尔本理工大学等都在致力于微型电磁式振动能量采集器的研究[6-9]。但由于多数研究机构都是用硅制作共振结构,而单晶硅材料的杨氏模量很大,导致硅基共振结构振幅较小,且共振频率很大,无法采集低频振动能量。

　　本文利用电镀技术制作得到蛙脚形平面铜弹簧,并把它与永磁体作为共振结构,和双层线圈组装成一个微型电磁式振动能量采集器。本文首先利用有限元分析软件对蛙脚形铜平面弹簧进行设计和结构参数优化,然后给出利用UV-LIGA技术和电镀技术制备铜平面弹簧和双层线圈的工艺,最后对组装好的振动能量采集器进行初步的性能测试。

　　1　结构设计与工作原理

　　图1为本文设计的微型电磁式振动能量采集器的结构示意图。整个结构主要由圆形永磁体、硅基铜平面弹簧和双层线圈构成。永磁体材料为SmCo28,其剩磁和矫顽力分别为1. 07T和820KA/m。铜平面弹簧的一阶振型为垂直弹簧所在平面上下振动,永磁体的磁极方向沿圆柱体轴线。当外界振动作用到弹簧上时,弹簧带动永磁体上下振动,导致线圈中磁通量发生改变,根据法拉第电磁感应定律,线圈中就会产生感应电动势。

　　本文采用电镀技术制作蛙脚形铜平面弹簧。相对于硅平面弹簧主要有以下优点: 1)由于铜的杨氏模量要比硅小许多,所以该弹簧弹性系数很小,振幅较大; 2)蛙脚形状使得弹簧结构紧凑,弹性臂较长且所占面积小; 3)制作方法简单,且可以得到各种复杂形状,而利用湿法刻蚀硅的方法很难得到复杂形状的硅基平面弹簧,而干法刻蚀又需要昂贵仪器。