CN102931340A - 宽频带微型压电振动能量收集器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带微型压电振动能量收集器及其制作方法，包括固定支架、质量块和悬臂梁阵列；悬臂梁阵列设置有压电层并设置于固定支架上，质量块设置于悬臂梁阵列上；质量块位于固定支架中央；悬臂梁阵列包括多个悬臂梁组，悬臂梁组连接于质量快和固定支架之间，固定支架上设置有上电极和下电极，上电极、下电极分别与悬臂梁组连接，悬臂梁阵列呈对称分布状态。本发明提出的多组不同尺寸的悬臂梁阵列，其固有频率不相同，从而使得所述微型压电振动式能量收集器具有较宽的频带宽度；组内的悬臂梁具有相同的尺寸，具有相同的固有频率，使得所述微型压电振动式能量收集器可根据负载情况实现不同悬臂梁所构成的发电机之间的并联或串联连接结构。

Description

宽频带微型压电振动能量收集器及其制作方法

技术领域

本发明属于可再生资源领域，特别涉及一种将环境振动能转换为电能的微能源装置。

背景技术

微型压电振动能量收集器是利用压电效应，在微结构受迫振动时将环境振动能转换为电能，从而实现对负载供电的器件，具有体积小、寿命长、易集成且与IC工艺兼容等优点，成为目前自供能无线传感网络迫切需要的理想电源，也是当今国际微能源领域研究的热点之一。

根据理论推导可知，但且仅当微型压电振动式能量收集器的固有频率与环境的振动频率相等时，即微型压电振动式能量收集器达到谐振状态时，微型压电振动式能量收集器具有最大的输出功率，而一旦微型压电振动式能量收集器振动频率偏离了环境振动频率，微型压电振动式能量收集器的输出功率将急剧下降。为此，微型压电振动式能量收集器的固有频率必须与环境的振动频率相匹配。而一般的振动环境外部条件复杂，其振动平频率多为复合式频率，具有较宽的振动频带。为此，微型压电振动式能量收集器必须具有较宽的频带范围，才能获取更多的环境振动能。目前国内外所研制的微型压电振动式能量收集器大多由于频带宽度较窄而导致其将环境振动能转换为电能的效率较低，输出功率较小，难以满足无线传感网络节点等实际应用对象的供能需求。因此，开展基于微电子机械***（MEMS）技术的微型压电振动式能量收集器具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种在宽频带振动环境下可以高效获取环境振动能，并将其转换为电能的微型压电振动式能量收集器。

本发明的目的之一是提供一种宽频带微型压电振动能量收集器；本发明的目的之二是提供一种宽频带微型压电振动能量收集器的制作方法；

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的宽频带微型压电振动能量收集器，包括固定支架、质量块和悬臂梁阵列；所述悬臂梁阵列设置有压电层，所述悬臂梁阵列设置于固定支架上，所述质量块设置于悬臂梁阵列上；所述质量块位于固定支架中央；所述悬臂梁阵列包括多个悬臂梁组，所述悬臂梁组一端与质量快连接，另一端与固定支架连接，所述固定支架上设置有上电极和下电极，所述上电极、下电极分别与悬臂梁组连接；所述上电极、压电层和下电极呈三明治结构，压电层作为功能层薄膜夹在上、下电极之间。

进一步，所述悬臂梁阵列呈对称分布状态。

进一步，所述悬臂梁组为尺寸不同的悬臂梁，所述同一组的悬臂梁组内的悬臂梁为相同的尺寸悬臂梁。

进一步，所述具有相同尺寸的悬臂梁在谐振点处通过电极串联或并联的级联方式链接。

进一步，所述固定支架为矩形、正方形、圆形或椭圆形的对称框型支架。

进一步，所述质量块为矩形、正方形、圆形或椭圆形。

进一步，所述固定支架包括底座、下电极层引出焊点、上电极层引出焊点；所述悬臂梁依次向上设置有第一压电薄膜层作为种子层和第二压电薄膜层作为功能薄膜层，所述第一压电薄膜层和第二压电薄膜层之间设置有下电极层，所述第二压电薄膜层外表面设置有上电极层。

进一步，所述底座包括SOI基底、顶层氧化硅层；所述SOI基底上设置夹层氧化硅层，所述氧化硅层上表面设置有硅层，所述硅层上表面设置有顶层氧化硅层。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的制作宽频带微型压电振动能量收集器的方法，包括以下步骤：

S1：以SOI基片为基底，热氧化生成顶层氧化硅层；

S2：在顶层氧化硅层上表面采用直流脉冲磁控溅射的方式依次生长成第一压电薄膜层、下电极层和第二压电薄膜层，然后光刻并图形化；

S3：采用直流脉冲磁控溅射的方式在第二压电薄膜层外表面生长出上电极层，然后光刻并图形化；

S4：正面涂胶保护并图形化，采用BHF腐蚀顶层SiO₂层；采用DRIE刻蚀至SOI基片的SiO₂层处，并用BHF腐蚀夹层的SiO₂层；

S5：采用直流脉冲磁控溅射的方式在SOI基片背面生长掩蔽层，然后光刻图形化后采用DRIE刻蚀至穿透，形成悬臂梁和质量块。

进一步，所述SOI基片为厚度是500um的SOI基底材料，所述夹层氧化硅层厚度为1没um,所述SOI基片顶层硅层厚度约为50-70um；所述下电极为厚度为200—250nm的Mo层；所述上电极层为厚度为800-1000 nm的Al层。

本发明的优点在于：

1. 本发明提出的多组不同尺寸的悬臂梁阵列，组与组的固有频率都不相同，从而使得所述微型压电振动式能量收集器具有较宽的频带宽度；

2. 本发明提出的多组不同尺寸的悬臂梁阵列，每组内的悬臂梁都具有相同的尺寸，从而都具有相同的固有频率，使得所述微型压电振动式能量收集器可根据负载情况实现不同悬臂梁所构成的发电机之间的并联或串联连接结构；

3. 本发明所提出的微型压电振动式能量收集器其压电材料可采用与集成电路兼容的氮化铝压电薄膜材料或者其他压电薄膜；

4. 本发明所提出的具有多组悬臂梁阵列所构成的能量收集器，其悬臂梁的数量可根据实际应用需要进行调整，其质量块的形状也可根据器件的体积要求进行设计，只要满足悬臂梁组与组之间尺寸的差异性即可；

5. 本发明所提出的器件结构呈完成对称分布；

6. 本发明提出的微型压电振动式能量收集器具有频带宽、频率低、结构简单、成品率高等特点，可广泛用于与无线传感网络、便携式电子产品等，实现环境振动能向电能的高效转化。

由此可见，本发明提出的微型压电振动式能量收集器具有较高的研究价值和广阔的市场应用前景。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的宽频带微型压电振动能量收集器结构示意图；

图2为宽频带微型压电振动能量收集器工艺流程示意图。

图中，1表示SiO₂层,2表示Si层,3表示Al层，4表示AlN层，5表示Mo层。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1

图1为本发明的宽频带微型压电振动能量收集器结构示意图；图2为宽频带微型压电振动能量收集器工艺流程示意图，如图所示：本发明提供的宽频带微型压电振动能量收集器，包括固定支架、质量块和悬臂梁阵列；所述悬臂梁阵列设置有压电层，所述悬臂梁阵列设置于固定支架上，所述质量块设置于悬臂梁阵列上；所述质量块位于固定支架中央；所述悬臂梁阵列包括多个悬臂梁组，所述悬臂梁组一端与质量快连接，另一端与固定支架连接，所述固定支架上设置有上电极和下电极，所述上电极、下电极分别与悬臂梁组连接；所述上电极、压电层和下电极呈三明治结构，压电层作为功能层薄膜夹在上、下电极之间。

所述悬臂梁阵列呈对称分布状态。

所述悬臂梁组为尺寸不同的悬臂梁，所述同一组的悬臂梁组内的悬臂梁为相同的尺寸悬臂梁。

所述具有相同尺寸的悬臂梁在谐振点处通过电极串联或并联的级联方式链接。

所述固定支架为矩形、正方形、圆形或椭圆形的对称框型支架。

所述质量块为矩形、正方形、圆形或椭圆形。

所述固定支架包括底座、顶层氧化硅层；所述底座依次向上设置有第一压电薄膜层（种子层）和第二压电薄膜层（功能薄膜层），所述第一压电薄膜层和第二压电薄膜层之间设置有下电极层，所述第二压电薄膜层外表面设置有上电极层。

所述底座包括SOI基底、下电极层引出焊点、上电极层引出焊点、顶层氧化硅层；所述SOI基片上设置作为夹层的二氧化硅层，所述夹层氧化硅层上表面设置有顶层氧化硅层，所述顶层氧化硅层上表面设置第一压电薄膜层。

本发明实施例还提供了一种宽频带微型压电振动能量收集器的制作方法，包括以下步骤：

S1：以SOI基片为基底，热氧化生长顶层氧化硅层；

S2：在顶层氧化硅层上表面采用直流脉冲磁控溅射的方式依次生长成第一压电薄膜层(种子层)、下电极层和第二压电薄膜层（功能薄膜层），然后光刻并图形化；

S3：采用直流脉冲磁控溅射的方式在第二压电薄膜层外表面生长出上电极层，然后光刻并图形化；

S4：正面涂胶保护并图形化，采用BHF腐蚀顶层SiO₂层；刻蚀至SOI基片的SiO₂层处，并用BHF腐蚀夹层的SiO₂层；该SOI基片的SiO₂层也可在S5步进行后，采用RIE刻蚀；

S5：采用直流脉冲磁控溅射的方式在SOI基片背面生长掩蔽层，然后光刻图形化后采用DRIE刻蚀至穿透，形成质量块和悬臂梁。

所述SOI基片为厚度是500um的SOI基底材料，所述夹层氧化硅层厚度为1um,所述夹层氧化硅层上面硅层厚度约为50-70um；所述下电极为厚度为200—250nm的Mo层；所述上电极层为厚度为800-1000 nm的Al层。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：

如图1所示，本发明的宽频带微型压电振动能量收集器以SOI基片为衬底材料，通过MEMS加工工艺实现器件的制备，图中S表示固定支架，m表示质量块，悬臂梁阵列用Li表示，其中i取值为1,2……16，每个悬臂梁相对应的上电极LiT(i=1,2……16)、下电极LiB(i=1,2……16)，电极位于固定支架S的四周。整个器件是完全对称结构。根据其工艺流程如图2，图中，包括SiO₂层1,Si层2,Al层3，AlN层4和Mo层5，具体实施方式如下所述：

（1）  采用总厚度为500um的SOI基片作为基底材料，作为顶层硅的Si层厚度为50-70um,作为夹层的二氧化硅层即SiO₂层厚度约为1um。采用标准工艺清洗烘干后，热氧化生长约300nm厚的SiO₂层，如图2（a）所示；

（2）  采用直流脉冲磁控溅射的方式生长压电薄膜AlN层。其中压电层包含：作为种子层的AlN层，厚度约为20—25nm;下电极Mo，厚度约为200—250nm;功能薄膜层，厚度约为1.0—1.2um;光刻并图形化后如图2（b）所示 ；

（3）  采用直流脉冲磁控溅射的方式生长作为上电极的Al层，其厚度约为800-1000 nm,光刻并图形化后如图2（c）所示 ；

（4）  正面涂胶保护并图形化，采用BHF腐蚀顶层SiO₂层；用deep-reactive iron etch（DRIE）刻蚀至SOI基片的SiO₂层处，并用BHF腐蚀夹层的SiO₂层；如图2（d）所示 ；

（5）  采用直流脉冲磁控溅射的方式在基片背面生长Al层，作为掩蔽层，其厚度约为100nm；光刻图形化后采用DRIE刻蚀至穿透，形成质量块和悬臂梁。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.  宽频带微型压电振动能量收集器，其特征在于：包括固定支架、质量块和悬臂梁阵列；所述悬臂梁阵列设置有压电层，所述悬臂梁阵列设置于固定支架上，所述质量块设置于悬臂梁阵列上；所述质量块位于固定支架中央；所述悬臂梁阵列包括多个悬臂梁组，所述悬臂梁组一端与质量快连接，另一端与固定支架连接，所述固定支架上设置有上电极和下电极，所述上电极、下电极分别与悬臂梁组连接；所述上电极、压电层和下电极呈三明治结构，压电层作为功能层薄膜夹在上、下电极之间。

2.  根据权利要求1所述的宽频带微型压电振动能量收集器，其特征在于：所述悬臂梁阵列呈对称分布状态。

3.  根据权利要求2所述的宽频带微型压电振动能量收集器，其特征在于：所述悬臂梁组为尺寸不同的悬臂梁，所述同一组的悬臂梁组内的悬臂梁为相同的尺寸悬臂梁。

4.  根据权利要求3所述的宽频带微型压电振动能量收集器，其特征在于：所述具有相同尺寸的悬臂梁在谐振点处通过电极串联或并联的级联方式连接。

5.  根据权利要求1所述的宽频带微型压电振动能量收集器，其特征在于：所述固定支架为矩形、正方形、圆形或椭圆形的对称框型支架。

6.  根据权利要求1所述的宽频带微型压电振动能量收集器，其特征在于：所述质量块为矩形、正方形、圆形或椭圆形。

7.  根据权利要求1所述的宽频带微型压电振动能量收集器，其特征在于：所述固定支架包括底座、下电极层引出焊点、上电极层引出焊点；所述悬臂梁依次向上设置有绝缘层下电极层、压电薄膜层和上电极层。

8.  根据权利要求7所述的宽频带微型压电振动能量收集器，其特征在于：所述底座包括SOI基底、顶层氧化硅层；所述顶层氧化硅层上表面设置第一压电薄膜层作为种子层；所述种子层上设置下电极层；所述下电极层上设置第二压电薄膜层作为功能薄膜层；所述第二压电薄膜层上设置上电极。

9.  制作如权利要求1所述的宽频带微型压电振动能量收集器的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：以SOI基片为基底，热氧化生长顶层氧化硅层；

S2：在顶层氧化硅层上表面采用直流脉冲磁控溅射的方式依次生长成第一压电薄膜层作为种子层、下电极层和第二压电薄膜层作为功能薄膜层，然后光刻并图形化；

S3：采用直流脉冲磁控溅射的方式在第二压电薄膜层外表面生长出上电极层，然后光刻并图形化；

S4：正面涂胶保护并图形化，采用BHF腐蚀顶层SiO₂层；采用DRIE刻蚀至SOI基片的SiO₂层处，并用BHF腐蚀夹层的SiO₂层；

S5：采用直流脉冲磁控溅射的方式在SOI基片背面生长掩蔽层，然后光刻图形化后采用DRIE刻蚀至穿透，形成悬臂梁和质量块。

10.  根据权利要求9所述的宽频带微型压电振动能量收集器的制作方法，其特征在于：所述SOI基片为厚度是500um的SOI基底材料，所述SOI基片上设置的顶层硅Si层厚度为50-70um,所述SOI基片上设置的夹层氧化硅层厚度约为1um；所述下电极层为厚度为200—250nm的Mo层；所述上电极层为厚度为800-1000 nm的Al层。

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