CN103523743A - 一种微型摩擦式能量采集器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS集成加工技术领域，特别涉及一种微型摩擦式能量采集器及其制备方法，包括硅质量块及硅质量块上设有的底电极、摩擦材料、上电极；底电极通过溅射、光刻、腐蚀工艺加工并图形化，摩擦材料通过化学气相沉积制备，底电极与摩擦材料接触并相互摩擦，上电极通过溅射、光刻、腐蚀工艺加工并图形化；本发明的优势在于：本发明无需外加电源、无需制备驻极体，解决了传统静电式能量采集器的不足之处；本发明采用MEMS微加工工艺批量化生产，成本低、产量大、可控性好、适于商业生产与应用。

Description

一种微型摩擦式能量采集器及其制备方法

技术领域

本发明涉及MEMS集成加工技术领域，特别涉及一种微型摩擦式能量采集器及其制备方法。

背景技术

微机电***（MEMS）近年来兴起的新型的多学科交叉技术，涉及机械、电子、物理、化学、生物、光学等多个学科。利用MEMS微加工技术制备的器件成本低、产量大，适用于商业生产。目前已有很多研究小组利用MEMS微加工技术制备用于收集环境中振动能的能量采集器。根据不同的转化机制，振动式能量采集器可分为电磁式、压电式、静电式三类。其中静电式能量采集器输出电压高，且无需特殊的压电材料或硬磁材料，非常易于采用MEMS方式集成加工。

然而，传统的静电式能量采集器需要外加电源以实现能量转化，限制了其应用范围。采用驻极体可以取代外加电源，但增加了器件制备的复杂程度。未解决上述静电式能量采集器的缺点，2012年，首个基于摩擦生电原理的静电式发电机制备成功并实现了高性能输出[Wang，Z.L.etal.Nano energy,vol.1,pp.328,2012]。随后，基于摩擦原理的静电式发电机发展迅速，输出能量密度也持续增大，并成功将环境中的振动能转化为电能加以利用[Wang,Z.L.etal.Advanced Materials,DOI:10.1002/adma.201302397]。

目前基于摩擦原理的静电式发电机大多采用手工组装的方式，体积较大，且不适于大规模生产。为此，本发明提出一种微型摩擦式能量采集器，减小了器件的体积，并可以通过MEMS微加工方式制备，成本低、产量大、可控性好、适于商业生产与应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型摩擦式能量采集器及其制备方法。该能量采集器可采用MEMS传统工艺批量加工，外界振动可以使两种得失电子能力不同的材料相接触，从而在两种材料表面产生等量异种电荷。外电路中的电子随着两种材料间距的变化而流动，从而产生电学能力输出。为达到上述目的，本发明采取了如下技术方案：包括硅质量块及硅质量块上设有的底电极、摩擦材料、上电极；底电极通过溅射、光刻、腐蚀工艺加工并图形化，底电极与摩擦材料接触并相互摩擦，摩擦材料通过化学气相沉积制备，上电极通过溅射、光刻、腐蚀工艺加工并图形化。

底电极为金或铜或铝等导电性好且易失去电子的材料。

上电极为金或铜或铝等导电性好的材料。

摩擦材料为易得到电子聚对二甲苯。

一种微型摩擦式能量采集器的制备方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤1）在硅片表面通过氧化或化学气相沉积得到氧化硅形成的薄膜作为绝缘层；

步骤2）在氧化硅上溅射或蒸发金属材料作为底电极；

步骤3）在底电极上旋涂光刻胶作为牺牲层；

步骤4）在牺牲层上淀积聚对二甲苯；

步骤5）在聚对二甲苯上溅射或蒸发金属材料作为上电极；

步骤6）划片，引出电极，将器件倒置，使硅片的基底作为能量采集器的质量块。

本发明的优势在于：本发明无需外加电源、无需制备驻极体，解决了传统静电式能量采集器的不足之处；本发明采用MEMS微加工工艺批量化生产，成本低、产量大、可控性好、适于商业生产与应用。

附图说明

图1为本发明的侧视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的工艺流程图；

图4为本发明的输出电压，输出电压峰值约为0.1V；

具体实施方式

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例：如图1至4所示，其结构包括：硅质量块1、底电极2、摩擦材料3、上电极4。具体加工步骤如下，

步骤1）清洗厚度为500μm的硅片（Si）；

步骤2）通过氧化在硅片表面得到3000

的氧化硅（SiO₂）形成的薄膜作为绝缘层；

步骤3）在氧化硅表面溅射300

金属铬（Cr）作为下粘附层；

步骤4）在下粘附层表面溅射3000金属金（Au）作为底电极2；

步骤5）通过光刻工艺加工图形化底电极2；

步骤6）通过光刻胶（Photoresist）作为掩膜腐蚀未加工图形化的底电极2；

步骤7）通过光刻胶和金属金作为掩膜腐蚀未加工图形化的下粘附层；

步骤8）通过发烟硝酸去除光刻胶；

步骤9）在底电极2上旋涂光刻胶作为牺牲层并进行图形化，光刻胶厚度为8μm；

步骤10）在牺牲层上采用化学气象沉积淀积聚对二苯甲（Parylene）作为摩擦材料，摩擦材料厚度为5μm；

步骤11）在摩擦材料表面溅射300

金属铬作为上粘附层；

步骤12）在上粘附层表面溅射3000金属金作为上电极4；

步骤13）通过光刻工艺加工图形化上电极4；

步骤14）通过光刻胶作为掩膜腐蚀未加工图形化的上电极4；

步骤15）通过光刻胶和金属金作为掩膜腐蚀未加工图形化的上粘附层；

步骤16）通过光刻胶、金属金、金属铬作为掩膜，通过反应离子刻蚀去除摩擦材料;

步骤17）通过去胶液PRS3000去除光刻胶；

步骤18）划片，引出电极，将器件倒置，使硅片的基底作为能量采集器的硅质量块1。

以上对本发明所提供的一种微型摩擦式能量采集器及其制备方法进行了详细介绍，以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种微型摩擦式能量采集器，其特征在于:包括硅质量块及硅质量块上设有的底电极、摩擦材料、上电极；底电极通过溅射、光刻、腐蚀工艺加工并图形化，摩擦材料通过化学气相沉积制备，底电极与摩擦材料接触并相互摩擦，上电极通过溅射、光刻、腐蚀工艺加工并图形化。

2.根据权利要求1所述的一种微型摩擦式能量采集器，其特征在于：底电极为金或铜或铝等导电性好且易失去电子的材料。

3.根据权利要求1所述的一种微型摩擦式能量采集器，其特征在于：上电极为金或铜或铝等导电性好的材料。

4.根据权利要求1所述的一种微型摩擦式能量采集器，其特征在于：摩擦材料为易得到电子的聚对二甲苯。

5.一种微型摩擦式能量采集器的制备方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤1）在硅片表面通过氧化或化学气相沉积得到氧化硅形成的薄膜作为绝缘层；

步骤2）在氧化硅上溅射或蒸发金属材料作为底电极；

步骤3）在底电极上旋涂光刻胶作为牺牲层；

步骤4）在牺牲层上淀积聚对二甲苯；

步骤5）在聚对二甲苯上溅射或蒸发金属材料作为上电极；

步骤6）划片，引出电极，将器件倒置，使硅片的基底作为能量采集器的质量块。

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