CN105720861A - 多方向宽频压电mems振动能量采集器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种多方向宽频压电MEMS振动能量采集器及其制备方法，包括基座和形成在所述基座上的多个压电悬臂梁、微弹簧、弹簧底座、永磁铁、软磁铁，压电悬臂梁由支撑层以及在基座上依次形成的下电极层、环氧树脂粘接层、压电厚膜层、上电极层等组成，压电悬臂梁阵列在基座空腔位置均匀布置，一端固定在基座上，另一端悬空，软磁铁固定于悬臂梁的悬空端；微弹簧上端与永磁铁连接，下端固定在弹簧底座上；基座与弹簧底座通过粘接键合连接，微弹簧位于基座空腔中心位置，且其上永磁铁与压电悬臂梁上的软磁铁在垂直方向上保持一定的距离。本发明实现了多方向宽频振动能量的采集，提高了多方向振动环境的能量采集及转换效率，解决了器件加工与MEMS工艺相兼容问题。
Description
技术领域
本发明属于微能源技术领域，具体涉及一种宽频MEMS压电振动能量采集器及其制备方法。
背景技术
微机械加工技术、集成电路技术以及无线技术的飞速发展使得诸如微能源技术、射频识别（RFID）、无线通讯、嵌入式***等为代表的高新技术得以不断进步，发展出了适合严苛工业环境的无线传感器网络，已广泛应用于机械、电力、船舶等领域的设备状态监控和造纸、化工、水处理等领域的自动化流程监控。但是，随着无线传感器网络节点数量越来越大，现代工业要求其在准确、实时和可靠地提供网络监控数据信息的同时，又要求每个网络节点能够长时间、稳定可靠地工作，节点能源尽量少维护甚至免维护。然而，目前无线传感器节点供电方式仍主要采用化学电池，存在能量密度较低、使用寿命有限的问题。因此，能源供给问题已成为制约无线传感器网络规模应用的主要技术瓶颈。
基于振动能量采集的微能源技术，能够收集器件周围环境中广泛存在的振动能，并根据某种能量转换方式转换成电能，从而可以代替电池等传统供电方式为无线传感器节点供电。振动能量采集方法一般有三种：压电式、静电式和电磁式。其中，压电式振动能量采集器具有结构简单、能量密度高、寿命长、可与MEMS加工工艺兼容等优点，已被认为是最有希望代替电池为无线传感器网络节点供电的一种方式，正受到越来越多的关注。但是，现阶段国内外研制的压电振动能量采集器主要集中于采集单一方向的振动能且频带较窄。因此，在振动方向经常变化或同时具备多个方向振动能（如海浪、人体运动）的应用环境中，传统的单方向振动能量采集器能量采集转换效率较低，难以提供足够高的能量为无线传感器网络节点供电。目前，多方向压电振动能量采集器的研究还处于起步阶段，相关的研究较少，且往往存在结构复杂、尺寸较大，无法与MEMS技术兼容等问题。
经对现有技术文献的检索发现，候志伟等在《振动与冲击》（2012年第16期33页—37页）撰文“多方向压电振动能量采集收集装置及其优化设计”。该文提出了一种立方体-球结构的多方向振动能量采集结构，由1个立方体形金属框架、1个金属质量块和8个相同的Rainbow型压电换能器组成，其内部设计成完全对称的结构，采用万向柔性铰链实现压电换能器与金属框架及金属质量块之间的联接。该能量采集结构成功实现了不同方向振动能量的采集，环境振动方向变化对其影响较少，适用性较强。但存在结构复杂，与MEMS制作工艺难以兼容，从而导致器件较大，实用性不强。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多方向宽频压电MEMS振动能量采集器及其制备方法，通过新型结构设计解决传统单方向压电振动能量采集器在多方向振动源环境存在能量采集效率低、频带窄等问题，同时实现器件制备方法与MEMS加工技术相兼容，具有制备方法简单、易于实现等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，包括：基座和形成在所述基座上的多个压电悬臂梁、微弹簧、弹簧底座、永磁铁、软磁铁，其中：压电悬臂梁在基座空腔位置均匀布置，且每个压电悬臂梁的一端固定在基座上，另一端悬空，软磁铁固定于悬臂梁的悬空端；微弹簧上端与永磁铁连接，下端固定在弹簧底座上；基座与弹簧底座通过粘接键合连接，微弹簧位于基座空腔中心位置，且其上永磁铁与压电悬臂梁上的软磁铁在垂直方向上保持一定距离。
所述的压电悬臂梁包括：支撑层以及在基座上依次形成的下电极层、环氧树脂粘接层、压电厚膜层、上电极层。
所述的基座材料是（100）面双面氧化的普通硅片或SOI硅片。
所述的多个压电悬臂梁，数量为3-6个。
所述的微弹簧材料是Cu，或Ni，或Cr。
所述的支撑层与基座硅片为一整体，通过微加工制作，其厚度范围为15-20μm。
所述的压电厚膜材料为PZT压电陶瓷或PMN-PT压电单晶，厚度范围为15-20μm。
所述的环氧树脂粘接层材料为导电型环氧树脂胶，厚度范围是3-5μm。
所述的电极层材料是Cr/Au合金，或者是Ti/Pt合金，或者是Al。
本发明涉及的上述多方向宽频压电MEMS振动能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
第一步，在硅片表面上采用溅射或蒸发方法制备一层金属电极层。
所述的硅片为（100）面双面氧化普通的硅片或SOI硅片。
所述的金属电极是Cr/Au合金，或者是Ti/Pt合金，或者是Al。
第二步，采用键合和减薄技术在制备了电极层的硅片上制作压电厚膜，并在压电厚膜表面上采用溅射或蒸发方法制备一层金属电极层。
所述的制备压电厚膜方法，具体是：在制备了电极层的硅片表面采用丝网印刷方法涂覆一层环氧树脂胶层，然后与已抛光的压电片进行粘接键合，最后通过机械化学研磨抛光方法将压电片厚度减薄至15μm~20μm，完成压电厚膜的制备。
第三步，使用微加工和激光加工工艺完成压电悬臂梁阵列结构制作。
所述的微加工和激光加工工艺制备压电悬臂梁阵列结构方法，具体是：在完成压电厚膜制作工艺基础上，采用光刻、显影技术完成器件背部SiO2的图形化；然后采用湿法或干法刻蚀器件背部SiO2层；接着采用干法深硅刻蚀方法刻Si层至一定厚度；最后采用激光加工工艺切割器件正面，完成悬臂梁的释放。
第四步，基于MEMS技术制备螺旋圆柱微弹簧。
所述的基于MEMS技术制备弹簧方法，具体是：在玻璃圆柱管表面溅射一层金属种子层，并在种子层上涂覆光刻胶；然后采用立体投影曝光、显影技术完成弹簧形状图形化；接着采用化学电镀Cu、Cr或Ni作为弹簧结构材料；最后去除光刻胶牺牲层、金属种子层，并采用化学腐蚀方法去除玻璃圆柱管，完成微弹簧的制备。
第五步，器件组装，焊接电导线，极化压电片。
所述的器件组装步骤，具体是：先将微弹簧下端与弹簧底座进行连接，并将永磁铁安装于弹簧上端，然后将弹簧底座与压电悬臂梁阵列结构的基座通过粘接键合连接，最后在压电悬臂梁的自由端安装软磁铁，完成器件的组装。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明合理利用微弹簧具有沿任意方向振动的特性，并借助弹簧上的永磁铁与压电悬臂梁上的软磁铁之间的磁力耦合作用，使压电悬臂梁上下振动并具有非线性特点，从而实现多方向宽频振动能量的采集，大大提高了在振动方向经常变化或同时具备多个方向振动能的应用环境中的能量采集及转换效率，具有转换效率高、运行频带宽等特点。同时，采用立体曝光等MEMS加工技术实现微弹簧的加工，从而使整个器件加工与MEMS工艺相兼容，因此具有制造工艺简单、成本低，具有良好的重复性和可批量生产。
附图说明
图1为本发明实施例1的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器结构示意图；
图2为本发明实施例1的压电悬臂梁结构侧面示意图；
图3为本发明实施例2的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器结构示意图；
图4为本发明实施例2的压电悬臂梁结构侧面示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例涉及的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，如图1所示，包括基座（1）和形成在所述基座上的多个压电悬臂梁（2）、软磁铁（3）、永磁铁（4）、微弹簧（5）、弹簧底座（6），其中：4个大小一致的压电悬臂梁（2）在基座方形空腔位置均匀布置，且每个压电悬臂梁的一端固定在基座（1）上，另一端悬空，软磁铁（3）固定于压电悬臂梁（2）的悬空端；微弹簧（5）上端与永磁铁（4）连接，下端固定在弹簧底座（6）上；基座（1）与弹簧底座（6）通过粘接键合连接，微弹簧（5）位于基座（1）空腔中心位置，且其上永磁铁（4）与压电悬臂梁上的软磁铁（3）在垂直方向上保持一定距离。
所述的基座（1）材料是双面氧化的SOI硅片。
所述的多个压电悬臂梁（2），数量为4个。
所述的微弹簧（5）材料为Cu。
所述的压电悬臂梁（2），其结构侧面图如图2所示，包括：支撑层以及在基座（1）上依次形成的下电极层（7）、环氧树脂粘接层（8）、压电厚膜层（9）、上电极层（10）。
所述的支撑层从上往下依次由上表面氧化层（11）、器件硅层（12）、和SOI硅片中间隐埋氧化层（13）组成，其中：上表面氧化层（11）和SOI中间隐埋氧化层二氧化硅（13）厚度均为2μm，器件硅层（12）厚度为15μm。
所述的环氧树脂粘接层（8）材料为导电型环氧树脂胶，厚度是3μm。
所述的压电厚膜层（9）材料为PZT压电陶瓷，厚度为15μm。
所述的电极层（7）和（10）材料是Cr/Au合金。
本实施例涉及的上述多方向宽频压电MEMS振动能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
第一步，在硅片表面上采用溅射方法制备一层金属电极层，作为压电器件的下电极层。
所述的硅片为双面氧化的SOI硅片。
所述的金属电极是Cr/Au合金，厚度为0.15μm。
第二步，采用键合和减薄技术制作厚度为15μm左右的压电厚膜，并在其表面上制备压电厚膜上电极层。
所述的制备压电厚膜方法，具体是：在制备了电极层的SOI硅片表面采用丝网印刷方法涂覆一层厚度为3μm左右的环氧树脂胶层，然后将厚度为400μm的压电体材PZT陶瓷片与SOI硅片进行粘接键合，最后通过机械化学研磨抛光方法将压电体材PZT陶瓷片厚度减薄至15μm，完成压电厚膜的制备。
所述的金属电极层为Cr/Au合金，厚度为0.15μm。
第三步，使用微加工和激光加工工艺制作压电悬臂梁阵列结构。
所述的微加工和激光加工工艺，具体是：在完成前两步工艺基础上，先通过光刻、显影等工艺完成器件背部SiO2的图形化；然后采用湿法刻蚀SiO2，在正胶的掩蔽作用下，光刻图形处SiO2将被HF酸腐蚀；腐蚀SiO2后，采用ICP干法进行深硅刻蚀，直至刻到SOI中间隐埋氧化层为止；最后，按照压电悬臂梁大小，采用紫外激光切割方法切割器件正面，完成悬臂梁的释放。
第四步，采用MEMS技术制作螺旋圆柱微铜弹簧。
所述的采用MEMS技术制作螺旋圆柱微铜弹簧方法，具体是：首先，在玻璃圆管表面上溅射一层Cr/Cu种子层，并采用浸入法在Cr/Cu种子层上涂覆光刻胶；然后采用立体投影曝光、显影技术完成弹簧形状的图形化；接着采用化学电镀Cu作为弹簧结构材料；最后去除光刻胶牺牲层、Cr/Cu种子层，并采用化学腐蚀方法去除玻璃圆管，完成微铜弹簧的释放。
第五步，完成器件的组装，并焊接电导线，极化压电厚膜。
所述的器件组装步骤，具体是：先通过环氧树脂胶将微铜弹簧下端与弹簧底座硅片进行粘接连接，并将永磁铁粘接于弹簧上端，然后将弹簧底座与压电悬臂梁阵列结构的基座通过粘接键合连接，最后在压电悬臂梁的自由端粘接软磁铁，完成器件的组装。
实施例2
本实施例涉及的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，如图3所示，包括基座（1）和形成在所述基座上的多个压电悬臂梁（2）、软磁铁（3）、永磁铁（4）、微弹簧（5）、弹簧底座（6），其中：3个大小一致的压电悬臂梁（2）在基座圆形空腔位置均匀布置，且每个压电悬臂梁的一端固定在基座（1）上，另一端悬空，软磁铁（3）固定于压电悬臂梁（2）的悬空端；微弹簧（5）上端与永磁铁（4）连接，下端固定在弹簧底座（6）上；基座（1）与弹簧底座（6）通过粘接键合连接，微弹簧（5）位于基座（1）空腔中心位置，且其上永磁铁（4）与压电悬臂梁上的软磁铁（3）在垂直方向上保持一定距离。
所述的基座（1）材料是（100）面双面氧化的普通硅片。
所述的多个压电悬臂梁（2），数量为3个。
所述的微弹簧（5）材料为Ni。
所述的压电悬臂梁（2），其结构侧面图如图4所示，包括：支撑层以及在基座1上依次形成的下电极层（7）、环氧树脂粘接层（8）、压电厚膜层（9）、上电极层（10）。
所述的支撑层由上表面氧化层（11）和器件硅层（12）组成，其中：上表面氧化层（11）厚度为2μm，器件硅层（12）厚度为20μm。
所述的环氧树脂粘接层（8）材料为导电型环氧树脂胶，厚度是4μm。
所述的压电厚膜层（9）材料为PMN-PT压电单晶，厚度为20μm。
所述的电极层（7）和（10）材料是Ti/Pt合金。
本实施例涉及的上述多方向宽频压电MEMS振动能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
第一步，在硅片表面上采用蒸发方法制备一层金属电极层，作为压电器件的下电极层。
所述的硅片为（100）面双面氧化的普通硅片。
所述的金属电极是Ti/Pt合金，厚度为0.2μm。
第二步，采用键合和减薄技术制作厚度为20μm左右的压电厚膜，并在其表面上制备压电厚膜上电极层。
所述的制备压电厚膜方法，具体是：在制备了电极层的硅片表面采用丝网印刷方法涂覆一层厚度为4μm左右的环氧树脂胶层，然后将已抛光的厚度为400μm的压电体材PMN-PT单晶片与硅片进行粘接键合，并通过机械化学研磨抛光方法将压电PMN-PT单晶片厚度减薄至20μm，完成压电厚膜的制备。
所述的金属电极层为Ti/Pt合金，厚度为0.2μm。
第三步，使用微加工和激光加工工艺制作压电悬臂梁阵列结构。
所述的微加工和激光加工工艺，具体是：在完成前两步工艺基础上，先通过光刻、显影等工艺完成器件背部SiO2图形化；然后采用RIE干法刻蚀SiO2；接着采用ICP干法进行深硅刻蚀，直至刻到Si层厚度为20μm为止；最后，按照压电悬臂梁大小，采用紫外激光切割方法切割器件正面，完成悬臂梁的释放。
第四步，采用MEMS技术制作螺旋圆柱微镍弹簧。
所述的采用MEMS技术制作螺旋圆柱微镍弹簧方法，具体是：首先，在玻璃圆管表面上溅射一层Cr/Cu种子层，并采用浸入法在Cr/Cu种子层上涂覆光刻胶；然后采用立体投影曝光、显影技术完成弹簧形状的图形化；接着采用化学电镀Ni作为弹簧结构材料；最后去除光刻胶牺牲层、Cr/Cu种子层，并采用化学腐蚀方法去除玻璃圆管，完成微镍弹簧的释放。
第五步，完成器件的组装，并焊接电导线，极化压电厚膜。
所述的器件组装步骤，具体是：先通过环氧树脂胶将微镍弹簧下端与弹簧底座硅片进行粘接连接，并将永磁铁粘接于弹簧上端，然后将弹簧底座与压电悬臂梁阵列结构的基座通过粘接键合连接，最后在压电悬臂梁的自由端粘接软磁铁，完成器件的组装。
本发明上述两个实施例均采用MEMS微加工技术为基础，通过立体曝光、电镀等技术制作微弹簧，采用微加工和激光加工技术制作压电悬臂梁。微弹簧具有沿任意方向振动的特性，即外界环境任何方向的振动，都将引起微弹簧的振动，从而改变其上永磁铁和压电悬臂梁自由端的软磁铁之间的距离，微弹簧非线性特性及磁力耦合作用使压电悬臂梁上下振动，并呈现明显的非线性特点，将有利于拓宽器件的频带，最终实现多方向振动能量的宽频高效采集。
Claims (10)
1.多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，其特征在于，包括：基座和形成在所述基座上的多个压电悬臂梁、微弹簧、弹簧底座、永磁铁、软磁铁，其中：压电悬臂梁在基座空腔位置均匀布置，且每个压电悬臂梁的一端固定在基座上，另一端悬空，软磁铁固定于悬臂梁的悬空端；微弹簧上端与永磁铁连接，下端固定在弹簧底座上；基座与弹簧底座通过粘接键合连接，微弹簧位于基座空腔中心位置，且其上永磁铁与压电悬臂梁上的软磁铁在垂直方向上保持一定距离；
所述的压电悬臂梁包括：支撑层以及在基座上依次形成的下电极层、环氧树脂粘接层、压电厚膜层、上电极层；
所述的基座材料是（100）面双面氧化的普通硅片或SOI硅片；
所述的多个压电悬臂梁，数量为3-6个；
所述的支撑层与基座为一整体，通过微加工制作，其厚度范围为15-20μm。
2.根据权利要求1所述的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，其特征在于，所述的微弹簧材料是Cu，或Ni，或Cr。
3.根据权利要求1所述的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，其特征在于，所述的压电厚膜材料为PZT压电陶瓷或PMN-PT压电单晶，厚度范围为15-20μm。
4.根据权利要求1所述的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，其特征在于，所述的环氧树脂粘接层材料为导电型环氧树脂胶，厚度范围是3-5μm。
5.根据权利要求1所述的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器，其特征在于，所述的电极层材料是Cr/Au合金，或者是Ti/Pt合金，或者是Al。
6.一种权利要求1所述的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在硅片表面上采用溅射或蒸发方法制备一层金属电极层；
第二步，采用键合和减薄技术在制备了电极层的硅片上制作压电厚膜，并在压电厚膜表面上采用溅射或蒸发方法制备一层金属电极层；
第三步，使用微加工和激光加工工艺完成压电悬臂梁阵列结构制作；
第四步，基于MEMS技术制备螺旋圆柱微弹簧；
第五步，器件组装，焊接电导线，极化压电片。
7.根据权利要求6所述的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器的制备方法，其特征在于，所述的制备压电厚膜方法，具体是：在制备了电极层的硅片表面采用丝网印刷方法涂覆一层环氧树脂胶层，然后与已抛光的压电片进行粘接键合，最后通过机械化学研磨抛光方法将压电片厚度减薄至15μm~20μm，完成压电厚膜的制备。
8.根据权利要求6所述的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器的制备方法，其特征在于，所述的使用微加工和激光加工工艺完成压电悬臂梁阵列结构制作，具体是：在完成压电厚膜制作工艺基础上，采用光刻、显影技术完成器件背部SiO2的图形化；然后采用湿法或干法刻蚀器件背部SiO2层；接着采用干法深硅刻蚀方法刻Si层至一定厚度；最后采用激光加工工艺切割器件正面，完成悬臂梁的释放。
9.根据权利要求6所述的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器的制备方法，其特征在于，所述的基于MEMS技术制备螺旋圆柱微弹簧，具体是：在玻璃圆柱管表面溅射一层金属种子层，并在种子层上涂覆光刻胶；然后采用立体投影曝光、显影技术完成弹簧形状图形化；接着采用化学电镀Cu、Cr或Ni作为弹簧结构材料；最后去除光刻胶牺牲层、金属种子层，并采用化学腐蚀方法去除玻璃圆柱管，完成微弹簧的制备。
10.根据权利要求6所述的多方向宽频压电MEMS振动能量采集器的制备方法，其特征在于，所述的器件组装，具体是：先通过环氧树脂胶将微弹簧下端与弹簧底座硅片进行粘接连接，并将永磁铁粘接于弹簧上端，然后将弹簧底座与基座通过粘接键合连接，最后在压电悬臂梁的自由端粘接软磁铁，完成器件的组装。
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