对Z轴方向高角加速度敏感及具能量存储的MEMS器件

    技术2024-12-29  58


    本发明属于mems传感器,特别涉及一种对z轴方向高角加速度敏感及具能量存储的mems器件。


    背景技术:

    1、惯性开关是一种利用惯性力实现开关功能的传感器,可以对高过载运动产生有效响应。常见的惯性开关多被设计为对线性运动敏感的器件。对于此类器件,当运动带来的惯性超过开关所设计的阈值时,惯性开关内部的敏感结构将在惯性的作用下接触闭合,从而产生信号。应用中,对于突发的高过载转动运动进行有效响应,能够解决很多实际问题。

    2、常见的转动敏感器件是角加速度计。角加速度计也是一种惯性传感器,常规的角加速度计原理类似于加速度计,但它的外壳安装在旋转物体上。由于角加速度,参考质量上会产生切向动载荷,从而输出与切向加速度或角加速度大小成比例的信号。基于上述基本原理,可以考虑多种途径实现角加速度的感知,如较为常见的机械式电磁式。

    3、传统的角加速度计体积较大,不适合有限空间的应用,且角加速度的敏感范围较小。同时,尽管mems惯性开关自身能耗较低,但不论是常见的mems惯性开关,还是角加速度计,仍难以做到完全0功耗。因此,亟需提出一种可以自身储能,且可以对高过载角加速度产生有效响应的新型mems器件。


    技术实现思路

    1、本发明的目的是提出一种对z轴方向高角加速度敏感及具能量存储的mems器件,其特征在于,核心结构式一个与狭长流道进行一体化封装的平面结构超级电容器。图1是平面结构超级电容器水平放置时的俯视图。当器件转动时,电解液在多孔电极中部的开孔及多孔电极孔内流动。所述对z轴方向高角加速度敏感及具能量存储的mems器件实际上是可以等价为多个狭长形超级电容器的并联;狭长形超级电容器的结构是微流道的上基板5、金属集电极2、多孔电极4、下基板1从上而下依次叠加,金属集电极2与多孔电极4在上基板5和下基板1合成的方框内,共同集成为超级电容器;电解液3在多孔电极中部的开孔及多孔电极孔内流动;mems器件的能量存储由多个狭长形超级电容器单元的并联,实现储能的叠加。

    2、所述超级电容器可以在一个基板上放射状制造多个狭长形超级电容器集成为mems器件;该器件的工作状态分为静置、快速转动、转速恒定三个阶段;当静置时,器件可以等价为多个狭长形超级电容器的并联,是储能器件;当器件突然开始快速转动,并且在毫秒的时间内转速高达每分钟上万转时,惯性将导致电解液在狭长流道内快速流动;电解液的快速流动影响离子分布,导致电解液电势突变,进而使电容器出现明显的电压下降;之后,当转速趋于恒定,即角加速度逐渐降低为0时,电解液不再流动,器件恢复至稳定状态进行持续放电或能量存储。

    3、本发明的有益效果是提供了一种自身储能,且可以对高过载角加速度产生有效响应的新型mems器件。一方面解决现有角加速度计体积较大量程较小的问题,另一方面使器件具备储能功能,从而实现对外的信息输出与能量输出。



    技术特征:

    1.一种对z轴方向高角加速度敏感及具能量存储的mems器件,其特征在于,所述对z轴方向高角加速度敏感及具能量存储的mems器件实际上是可以等价为多个狭长形超级电容器的并联;狭长形超级电容器的结构是微流道的上基板(5)、金属集电极(2)、多孔电极(4)、下基板(1)从上而下依次叠加,金属集电极(2)上表面复合多孔电极(4),在上基板(5)和下基板(1)合成的方框内,共同集成为狭长形超级电容器;电解液(3)在多孔电极中部的开孔及多孔电极孔内流动;mems器件的能量存储由多个狭长形超级电容器的并联,实现储能的叠加。

    2.根据权利要求1所述的对z轴方向高角加速度敏感及具能量存储的mems器件,其特征在于,所述超级电容器单元可以在一个基板上放射状制造多个狭长形超级电容器单元集成为mems器件;该器件的工作状态分为静置、快速转动、转速恒定三个阶段;当静置时,器件可以等价为多个狭长形超级电容器的并联,作为储能器件实现储能的叠加;当器件突然开始快速转动,并且在毫秒的时间内转速高达每分钟上万转时,惯性将导致电解液在狭长流道内快速流动;电解液的快速流动影响离子分布,导致电解液电势突变,进而使电容器出现明显的电压下降;之后,当转速趋于恒定,即角加速度逐渐降低为0时,电解液不再流动,器件恢复至稳定状态进行持续放电或能量存储。


    技术总结
    本发明公开了属于MEMS传感器技术领域的一种对Z轴方向高角加速度敏感及具能量存储的MEMS器件。器件实际上是可以等价为多个狭长形超级电容器的并联结构,并进行一体化封装。静置时,器件可以等价为储能器件。当器件突然开始快速转动,并且在毫秒的时间内转速急速升高,惯性将导致电解液在狭长流道内快速流动。电解液的快速流动影响离子分布,导致电解液电势突变,进而使电容器出现明显的电压下降。当转速趋于恒定,角加速度降低为0时,电解液不再流动,器件恢复至稳定状态进行持续放电。本发明解决现有角加速度计体积较大、量程较小的问题,对Z轴方向高过载角加速度敏感,同时具备储能功能,从而实现对外的信息输出与能量输出。

    技术研发人员:王晓峰,王逸群,戴可人,尹亚江,江斌
    受保护的技术使用者:清华大学
    技术研发日:
    技术公布日:2024/10/24
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