集成机械能收集与振动检测功能的微器件及其制备方法与流程

本发明属于微型智能电子技术领域，具体涉及一种集成机械能收集与振动检测功能的微器件及其制备方法。

背景技术：

集成振动信号高精度检测与机械能高效俘获功能的微型器件是整体提升微型智能电子装备感知和续航能力的关键，现有的设计原理和制备方法难以实现。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种集成机械能收集与振动检测功能的微器件及其制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种集成机械能收集与振动检测功能的微器件及其制备方法，旨在解决现有智能电子装备无法在兼顾微小尺度的同时实现振动信号高精度检测和机械能高效收集的难题。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一实施例中，提供了一种集成机械能收集与振动检测功能的微器件，包括：

基底层，其上开设有裂纹结构，所述裂纹结构沿所述基底层厚度方向贯穿该基底层，所述裂纹结构具有一封闭的尖端部；

振动检测结构，设于所述基底层上且部分覆盖所述裂纹结构，所述振动检测结构用于检测振动信号；

机电转换结构，嵌设于所述裂纹结构尖端部一侧的基底层内，所述机电转换结构能够将机械能进行收集并转化成电能。

作为本发明的进一步改进，所述振动检测结构包括与所述基底层相贴合的柔性薄膜基底层，设于所述柔性薄膜基底层上的导电层以及设于所述导电层上的信号导出电极。

作为本发明的进一步改进，所述机电转换结构距所述尖端部由近及远依次包括第一导电膜，换能材料层和第二导电膜，其中所述第一导电膜和第二导电膜上分别设置有电能导出电极。

在上述技术方案中，所述机电转换结构设于所述裂纹结构尖端部一侧的基底层上，使得所述机电转换结构位于所述裂纹结构尖端部的应力场内，当含有机械能的外部刺激作用于微器件上时，裂纹结构尖端部的能量集中效应会使得机械能高效聚集到尖端部的应力场内并通过机电转换结构转化成电能传输到后续的电路或存储设备中；振动检测结构设于所述基底层上且部分覆盖所述裂纹结构，当振动信号作用于基底层上时，柔性薄膜基底层会随裂纹结构宽度变化而发生弯曲变形，进而触发导电层对信号进行检测。

作为本发明的进一步改进，所述裂纹结构的裂纹宽度为5～50μm。

作为本发明的进一步改进，所述裂纹结构自所述基底层的一侧向内凹陷形成，其具有与所述尖端部相对设置的开放部。

作为本发明的进一步改进，所述振动检测结构覆盖于所述开放部上。

作为本发明的进一步改进，所述柔性薄膜基底层的导电层上开设有纳米级裂纹微结构。

作为本发明的进一步改进，所述纳米级裂纹微结构可通过机械弯曲、有机溶剂诱导膨胀或光诱导膨胀制备形成。

作为本发明的进一步改进，所述机电转换结构呈弧形设置，其内弧面与所述尖端部相对设置。

作为本发明的进一步改进，所述振动检测结构内的导电层通过沉积、蒸镀、溅镀或刷涂的方法设于所述柔性薄膜基底层上。

作为本发明的进一步改进，所述机电转换结构内的第一导电膜和第二导电膜通过沉积、蒸镀、溅镀或刷涂的方法设于所述换能材料层上。

作为本发明的进一步改进，所述导电层，第一导电膜和第二导电膜中的导电材料可以为金、银、铜、铂、石墨中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述换能材料层的换能材料可以为压电陶瓷、压电薄膜、复合压电材料中的一种；

作为本发明的进一步改进，所述柔性薄膜基底层可以为聚酰亚胺、聚乙烯、氯乙烯中的一种。

本申请一实施例还提供了一种制备上述集成机械能收集与振动检测功能的微器件的制备方法，包括如下步骤：

将一端弧形的金属条放置于液态的固化材料中；

在固化材料达到半固化状态后，将机电转换结构置于金属条弧形端的固化材料中且距该金属条弧形端一定距离；

将金属条通过腐蚀液进行去除形成裂纹结构；

将振动检测结构铺设于裂纹结构远离弧形端的一端，并对固化材料进行进一步固化。

作为本发明的进一步改进，所述基底层为由环氧树脂、硅胶、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、光刻胶中的一种固化材料固化而成。

作为本发明的进一步改进，用于金属条腐蚀去除的溶液可以为氯化铁溶液、盐酸溶液、硫酸溶液中的一种。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

由于机电转换结构位于裂纹结构的尖端部应力场中，因此能够基于裂纹尖端的能量集中效应将分散的机械能进行高效收集并转化成电能从而提高了机械能收集的效率。由于柔性薄膜基底层附于裂纹尾部，可利用裂纹尾部的形变现象使得柔性薄膜基底层发生弯曲变形，从而使得柔性薄膜基底层上的导电层的电阻发生变化，实现微弱振动信号的高精度检测。综上，在基底层上开设裂纹结构并设置机电转换结构和机电转换结构，既可实现对机械能的高效收集也可实现微弱振动信号的高精度检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施方式中一种集成机械能收集与振动检测功能的微器件俯视效果图；

图2是本申请一实施方式中一种集成机械能收集与振动检测功能的微器件局部主视图；

图3是一实施方式中振动检测结构细节示意图；

图4是一实施方式中机电转换结构细节示意图；

图5是一实施方式中金属条与裂纹结构和基底层的数据描述示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参考图1和图2所示，本申请一实施例提供了一种集成机械能收集与振动检测功能的微器件，包括基底层1，裂纹结构2，振动检测结构3和机电转换结构4；其中，裂纹结构2开设于基底层1上，且沿厚度方向贯穿基底层1设置，裂纹结构2具有一封闭的尖端部21，振动检测结构3覆盖于裂纹结构2上且远离尖端部21设置，机电转换结构4嵌设于基底层1内且与裂纹结构2的尖端部21之间设有一定距离。

基底层1由固化材料固化而成，固化材料可以为环氧树脂、硅胶、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、光刻胶中的一种，在本实施例中，优选为环氧树脂。

裂纹结构2的形成可以通过在固化材料中加入金属条，并通过对固定在固化材料中的金属条进行腐蚀去除而得，其中，用于金属条腐蚀去除的溶液可以为氯化铁溶液、盐酸溶液、硫酸溶液中的一种。裂纹结构2自基底层1的一侧向内凹陷形成，其具有与尖端部21相对设置的开放部(图1中被振动检测结构3覆盖)，振动检测结构3覆盖于开放部上，该裂纹结构的裂纹宽度为5～50μm。

参考图3所示，振动检测结构3由柔性薄膜基底层33、导电层32、信号导出电极31组成，柔性薄膜基底层33设于基底层1上，导电层32通过沉积、蒸镀、溅镀或刷涂的方法设于柔性薄膜基底层33上，信号导出电极31设于导电层32上。柔性薄膜基底层33可以为聚酰亚胺、聚乙烯、氯乙烯中的一种。导电层32的导电材料可以为金、银、铜、铂、石墨中的一种，导电层32上开设有纳米级裂纹微结构，该纳米级裂纹微结构可通过机械弯曲、有机溶剂诱导膨胀或光诱导膨胀等方法制备形成。

参考图4所示，机电转换结构4呈弧形设置，其内弧面与尖端部21相对设置。机电转换结构4距尖端部21由近及远依次包括第一导电膜41，换能材料层42和第二导电膜43，其中第一导电膜41和第二导电膜43上分别设置有电能导出电极44。第一导电膜41和第二导电膜43通过沉积、蒸镀、溅镀或刷涂的方法设于换能材料层42上，第一导电膜41和第二导电膜43中的导电材料可以为金、银、铜、铂、石墨中的一种。换能材料层42的换能材料可以为压电陶瓷、压电薄膜、复合压电材料中的一种。

本发明的微器件，其工作原理可概括为：当进行振动信号检测时，振动信号作用与基底层1上，使得裂纹结构2宽度发生变化，并诱导振动检测结构3中的柔性薄膜基底层33发生变化，使得位于柔性薄膜基底层33上导电层32中的电阻发生变化，并进一步通过信号导出电极31实现电阻信号的输出，达到振动信号检测的功能；当进行能量收集时，外部激励作用于基底层1上，由于裂纹结构2尖端的能量集中效应，使得机械能在尖端处高效聚集并被机电转换结构4中的换能材料层42转换成电能，并通过第一导电膜41、第二导电膜43和电能导出电极44输送到后续的处理模块中。

本发明还公开了一种集成机械能收集与振动检测功能的微器件的制备方法，包含如下步骤：

步骤s1、将一端弧形设置的金属条放置于盛有液态固化材料的培养皿中，进行适度固化；

步骤s2、将预先加工好的圆弧状机电转换结构放置在金属条弧形端的端点处，其内弧面正对金属条弧形端，并通过培养皿中的半固化状态物质将机电转换结构与金属条弧形端的端点隔开一段距离；

步骤s3、将金属条通过腐蚀液进行去除形成具有裂纹结构的基底层；

步骤s4、将预先加工好的柔性的振动检测结构平铺在裂纹结构开放部的基底层上，且设有信号导出电极的一侧朝外，并对基底层进行进一步固化；

步骤s5、对制得的样品进行剪裁处理最终得到集机械能收集与振动检测功能一体的微器件。

在本发明的一个较佳实施例中，金属条的宽度d应与裂纹结构的宽度d一致，其长度应与裂纹结构的长度一致，金属条端部应为弧形，便于形成裂纹结构的尖端部，金属条的厚度l应大于基底层的厚度l(裂纹结构的厚度)，参考图5所示。

在本实施例中，裂纹结构长度为1000μm，则金属条长度为1000μm；裂纹结构宽度d为100μm，金属条的宽度d为100μm；固化材料形成的基底层的厚度l为100μm，则金属条的厚度l应设置为100μm到1000μm之间，较佳地，设置为500μm。

金属条也可采用其他常见的材料，如铝、铁、铜、不锈钢或各种合金等，只要便于腐蚀去除即可。

对于步骤s1中提到的作为基底层的固化材料，可使用常见的环氧树脂材料，也可使用硅胶、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、光刻胶等易固化的材料。

在本发明的一个较佳实施例中，采用环氧树脂材料为例进行说明，采用环氧树脂材料时，可在30℃-50℃的状态下加热1-5小时，以使得环氧树脂呈半固化状态。需要注意的是，为使振动检测结构能够更好的粘附在裂纹结构的开放部，且使得机电转换结构能够更好的与环氧树脂进一步固化，在此步试验时无需将环氧树脂材料完全融化。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。