ЕМКОСТНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, в частности к микроэлектромеханическим устройствам, преобразующим энергию механических колебаний в электрическую энергию, и может быть использована в качестве источника питания для маломощных электронных устройств.
Известен емкостной (электростатический) микроэлектромеханический преобразователь, содержащий электроды гребенчатого типа (Kim S., Fu Q., Suzuki Y. Development of a pre-packaged MEMS electret energy harvester before charging // Journal of Physics: Conference Series. - Vol. 557. - 2014. - P. 1-5), состоящий из подвижного и неподвижного электродов, имеющих встречно-штыревую конструкцию, что позволяет достигать больших значений емкости при малых размерах устройства.
Однако указанное устройство обладает жесткими требованиями к вертикальности и плоскопараллельности стенок штырей электродов, что возможно только при использовании (дорогостоящей, и в большинстве случаев недоступной) технологии глубокого травления кремния с большим аспектным отношением.
2
3
4
Кроме того, известен емкостной микроэлектромеханический преобразователь (Wang F., Hansen О. Electrostatic energy harvesting device with out-of-the-plane gap closing scheme // Sensors and Actuators A: Physical. - Vol. 211. - 2014. - P. 131-137), являющийся прототипом предлагаемой полезной модели и содержащий четыре основных элемента: основание, вибрационный элемент с напыленным на его поверхность металлическим электродом, кремниевую прокладку, изготовленную в форме рамки с тонкими диэлектрическими пленками SiO толщиной 2 мкм и SiN толщиной 0,15 мкм, расположенными на ее поверхности, и неподвижный электрод, также выполняющий роль крышки.
Однако указанный микроэлектромеханический преобразователь имеет большую паразитную емкость, возникающую между неподвижной частью вибрационного элемента и неподвижным электродом через кремниевую прокладку, задающую рабочий межэлектродный зазор устройства. Указанный преобразователь также имеет заданные технологией изготовления величины воздушного межэлектродного зазора и сейсмомассы, для изменения которых необходимо устанавливать новые размеры на фотошаблонах и повторять весь технологический цикл производства. Два последних указанных конструктивных параметра оказывают влияние на коэффициент демпфирования, а величина сейсмомассы также определяет значение резонансной частоты, в результате чего выходные характеристики устройства не могут корректироваться в процессе изготовления, и в случае, когда требуется достижение конкретных параметров, остается только возможность применения различных методов разбраковки.
Задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение паразитной емкости и обеспечение возможности изменения величины межэлектродного зазора, сейсмомассы и резонансной частоты.
Поставленная задача достигается тем, что в известном электростатическом микроэлектромеханическом преобразователе между неподвижной частью вибрационного элемента и неподвижным электродом удаляется кремниевая прокладка, наличие которой определяет высокую паразитную емкость. В предлагаемом устройстве вибрационный элемент, содержащий подвижный электрод и сейсмомассу, а также неподвижный электрод крепятся на диэлектрическом основании большой толщины, как показано на чертеже. Конфигурация штырей основания обеспечивает свободное вертикальное перемещение вибрационного элемента, что позволяет независимо от технологии изготовления задавать воздушный зазор во время процесса сборки путем установки между электродами подкладок необходимой толщины. После закрепления вибрационного элемента на штырях основания подкладки удаляются. Кроме того, в предлагаемой полезной модели электростатического микроэлектромеханического преобразователя имеется возможность изменения величины сейсмомассы за счет применения материалов с различной плотностью и изменения толщины, что позволяет задавать коэффициент демпфирования и значение резонансной частоты в широком диапазоне уже после изготовления отдельных элементов конструкции.
Структура полезной модели поясняется чертежом, на котором изображено: 1 - Неподвижный электрод, 2 - Подвижный электрод, 3 - Вибрационный элемент, 4 - Кремниевые балки, 5 - Сейсмомасса, 6 - Клеевое соединение, 7 - Штыри основания, 8 - Основание.
Предлагаемый преобразователь содержит неподвижный электрод 1, который крепится к основанию 8 при помощи клея 6. Подвижный электрод 2, который представляет собой кремниевый кристалл, покрытый алюминием для обеспечения электропроводности, соединяется с вибрационным элементом 3, который содержит подвижную и неподвижную части, соединенные между собой при помощи упругих кремниевых балок 4, и сейсмомассой 5 при помощи клея 6, после чего устанавливается на штыри основания 7. Воздушный зазор задается путем вставки между электродами 1 и 2 подкладок необходимой толщины, а вибрационный элемент закрепляется на штырях основания при помощи клея.
Устройство работает следующим образом. При наличии электрического поля между подвижным и неподвижным электродами (которое может быть создано путем подачи напряжения от внешнего источника, либо путем изготовления слоя со встроенным зарядом на одном из электродов), внешняя механическая сила, действующая на основание, совершает работу против силы притяжения заряженных электродов, в результате чего механическая энергия преобразовывается в электрическую.
2
3
4
Таким образом, в предлагаемой полезной модели пространство между подвижным и неподвижным электродами оказывается заполнено воздухом, имеющим меньшую диэлектрическую проницаемость по сравнению с прототипом, в котором содержится кремниевая прокладка с диэлектрическими пленками SiO и SiN относительно большой площади, что приводит к уменьшению паразитной емкости, а конструкция преобразователя позволяет задавать необходимую резонансную частоту и коэффициент демпфирования путем изменения сейсмомассы и величины межэлектродного зазора.