本发明属于压电能量收集器，具体涉及的是一种硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器。
背景技术：
1、构建以压电陶瓷为核心的压电能量收集器可用于捕获环境中普遍存在的振动能，通过机电转换进行清洁发电，是当前新能源和物联网领域的国际研究前沿。机械振动在日常生活中普遍存在，有效转化机械振动能为电能可有效延长无线节点的使用寿命，具有重要的研究价值。目前，根据能量转化原理的不同可将机械振动能量收集方式分为压电式、电磁式和静电式。其中，压电式发电利用压电材料的正压电效应将机械振动能转换为电能。与其他发电技术相比，压电式发电具有成本低、不受电磁干扰、结构简单以及受环境限制较小等优点。常见的压电材料包括aln、pvdf、pzt、pmn-pt等。
2、由于环境中绝大多数的机械振动都是低频振动，因此，低频能量收集是目前压电能量收集材料的研究重点，比如人走路的动能、减速带所收集的振动能等，但是对于低频能量的收集器件研究还很少。在过去的十余年时间里，科研人员对压电能量收集技术进行了大量研究，包括能量转换机制分析、机械结构设计与优化、微电子电路控制理论等诸多方面。本发明提供一种用于收集环境中的超低频能量收集器。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明提供一种硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器，采用了阶梯悬臂梁的结构，可以采集环境中超低频的振动能量，并且提供更高的电压输出和功率输出。
2、本发明的设计方案如下：
3、一种硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器包括压电阶梯弹簧悬臂梁、固定端、质量块，两根阶梯弹簧悬臂梁以质量块为中心对称布置在两侧，一端连接在固定端上，另一端连接在质量块上，悬臂梁以弯折的形态布置为弹簧梁，沿长度方向上梁臂的宽度做成阶梯状分布，沿深度方向仍以均匀梁宽布置，阶梯弹簧梁在弯折处布置为粗梁，后由粗到细，中间布置为细梁臂，再由细到粗，最后连接到质量块。
4、所述压电能量收集器的质量块为自由端，质量块的受迫振动为压电能量收集器的振动源，质量块受到外力发生振动，带动阶梯弹簧悬臂梁发生变形，其上下两个表面受到相反的力，继而产生电性相反的正负两种电荷，将上述电荷进行收集起来，可以作为储备能源。
5、所述压电能量收集器的整体尺寸为50mm×30mm×0.16mm,长度方向为50mm、宽度方向为30mm、厚度方向为0.16mm。单个阶梯弹簧悬臂梁的弯折数不能小于5。
6、所述压电能量收集器为三明治结构，压电材料布置在悬臂梁的上下表面，材料可以选择压电系数较高的pzt、pmn-pt等，压电材料的厚度为60μm。悬臂梁上表面和下表面的内侧和外侧均设有电极。
7、所述压电能量收集器的中间层为金属层，厚度为40μm，金属可以选择结构钢、cu等金属。
8、所述质量块的宽度不应超出与质量块连接的两根梁臂的前后两端，与两根梁臂的前后两端齐平，厚度与悬臂梁厚度相同，为160μm，可以根据结构需求和能量输出需求改变质量块的厚度以匹配,质量块的材料与能量收集器的中间层相同，也可选择其他材料。
9、本发明可以通过以下技术加工进行实现：准备一个6英寸的硅片，双面抛光。通过pecvd在双面抛光的硅衬底的正面沉积一层厚度为1μm的二氧化硅，由于各种材料的热膨胀系数不同，会导致材料之间无法进行完美匹配，器件中会存在残余应力，二氧化硅薄膜作为绝缘层和应力缓冲层起保护作用。在真空环境下沉积一层0.1μm厚的pzt、0.1μm厚的mo、60μm厚的pzt、40μm厚的cu、60μm厚的pzt，0.1μm厚的mo，采用icp设备对mo、pzt、cu、pzt、mo、pzt进行干法刻蚀，来形成器件中的各层独立结构。刻蚀气体选用氯气(cl2)和氩气(ar)。然后干法刻蚀mo、pzt、cu、pzt引出底部电极和中间的金属层，因为湿法腐蚀不容易掌控腐蚀速率，且不能保障平坦度和侧面的垂直度，故采用干法刻蚀。沉积一层二氧化硅作为钝化层，保护结构不被腐蚀。干法刻蚀二氧化硅，刻蚀打开底部电极、顶部电极和中间金属层的引线接触孔。使用磁控溅射镀膜仪溅射金属al，作为金属引线。采用湿法腐蚀方法腐蚀金属图案，腐蚀出顶部电极、底部电极和中间金属层作为电极引线。采用深反应离子刻蚀去掉部分底层的硅，使下方形成独立空腔，一般选择bosch工艺来做硅的深反应离子刻蚀，工艺反应过程选取六氟化硫和八氟环丁烷作为反应气体和钝化剂。采用深反应离子刻蚀去掉背部的部分二氧化硅，释放压电悬臂梁结构。
10、本发明的有益效果为：本发明采用的是阶梯弹簧弯折布置的悬臂梁结构，与普通的悬臂梁相比，阶梯形状宽桥臂分布在弯折处、细桥臂分布在沿长度方向的中间部位，通过减小谐振梁的宽度来降低整体梁的谐振频率，并且可以在降低谐振频率的同时更为有效地利用压电悬臂梁的使用面积，增加能量输出；弯折布置悬臂梁使其变成弹簧状，弹簧梁的设计可以在有限的空间范围内增加梁的长度，进而降低梁的谐振频率；两根梁对称布置在质量块两侧，并和质量块相连接，比单根压电悬臂梁的能量输出增加了一倍，并且对称布置可以增加整体器件的稳定性和可靠性；悬臂梁质量块的厚度应大于等于梁整体的厚度，可以提高器件整体的能量输出功率，增大输出电压。以上设计能大幅降低器件本身的谐振频率，进而更好地收集环境中超低频的能量，比如将本发明安装在鞋底可以有效收集人在走路时产生的能量；将本发明安装于气体报警器中，通过室内气流的微微扰动使质量块发生振动，进而产生能量供气体报警器使用，减少气体报警器更换电池和维修的成本；将本发明安装于减速带中，收集过往车辆行人所产生的振动能量；将本发明安装于遥控器中，收集使用遥控器时晃动或者按压遥控器按钮所产生的能量，为遥控器供电等。
1.一种硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器，其特征在于：包括压电阶梯弹簧悬臂梁、固定端、质量块；
2.根据权利要求1所述的一种硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器，其特征在于，所述压电阶梯弹簧悬臂梁的上表面和下表面布置有压电材料，所述压电阶梯弹簧悬臂梁的上表面和下表面的内侧和外侧均设有电极。
3.根据权利要求1所述的一种硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器，其特征在于，所述硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器的中间层为金属层。
4.根据权利要求3所述的一种硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器，其特征在于，所述金属层为结构钢、铜金属。
5.根据权利要求1所述的一种硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器，其特征在于，所述压电阶梯弹簧悬臂梁的外框架为矩形。
6.根据权利要求2所述的一种硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器，其特征在于，所述压电材料为pzt、pmn-pt的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器，其特征在于，所述压电阶梯弹簧悬臂梁单个的弯折布置不少于5次。
8.根据权利要求1所述的一种硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器，其特征在于，建立平面直角坐标系，阶梯弹簧悬臂梁的外侧两条边分别与所述平面直角坐标系的x轴和y轴平行，所述硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器能量收集的方法包括：
9.根据权利要求1所述一种硅基超低频阶梯弹簧梁压电能量收集器，其特征在于，采用以下制作步骤：
