CN106301071A - 低频压电式mems振动能量采集器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低频压电式MEMS振动能量采集器及其制备方法，采集器包括硅固定基座、压电悬臂梁和质量块，所述压电悬臂梁包括金属薄膜基片，以及压电薄膜层和电极层；压电薄膜层通过环氧树脂粘附于金属薄膜基片上，在压电薄膜层表面溅射一层金属电极，得到电极层，从而实现压电薄膜层的电极层与金属薄膜基片机械串联。方法包括：一、制备金属薄膜基片；二、对压电陶瓷片单面抛光并在抛光面上溅射或蒸发电极层；三、通过键合和减薄，深硅刻蚀工艺得到压电悬臂梁；四、切割质量块并采用粘贴的方法使压电悬臂梁的悬空端粘贴质量块。本发明降低了器件的固有频率，提高了采能元件的能量利用率，且方法简单易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及微机电***技术领域的一种装置及方法，具体地，涉及一种低频压电式MEMS振动能量采集器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着无线通讯与MEMS(微机电***)技术的不断进步，似的微电子设备和微传感器等微型***应用范围不断扩大。由大量无处不在的、具有通信与计算能力的微小传感器节点，以无线通信的方式构成，并能够根据环境需求自主完成指定任务的无线传感器网络在军事、工业、家居、环境等诸多领域有着广泛的应用前景。
当前，在无线传感节点等为器件的电能供给上，依然采取着传统的供能方式，即利用电池作为主要的能量供应装置。然而，由于无线传感器网络节点一般是静止不动的，随着网络分布的广泛，构成无线传感网络的微器件数目越来越庞大，而且有些微器件的工作位置处在野外恶劣环境中，难以再触及，显然，电池供电方式越来越难于满足要求。因此，为了延长电池使用寿命和减少电子元件提及，人们开始致力于从电子元件周围环境中吸取能量并转化为电能方法来代替电池对无线传感器等微器件进行永久供电研究。
目前，环境振动能量采集技术是解决以上问题的有效方法。以压电材料的压电效应作为环能基础设计制作的微型压电发电装置因具备体积小，能量密度高，寿命长，可与MEMS加工工艺兼容等优点，因而获得了广泛的关注。
利用MEMS技术研制的压电式振动能量采集器，常用的结构是自由端附加一集中质量块的悬臂梁结构，该悬臂梁结构一般是由支撑层和附于其上的一层压电薄膜或厚膜组成的复合结构。目前完全继承制造的MEMS压电式振动能量采集器，固有频率太高，在自然环境采集中很难达到共振效果。
经对现有技术文献的检索发现，唐刚在《physica status solidi(a)》中提到一种利用压电陶瓷与硅键合的方法制备的压电振动能量采集器，用这种方法制作的压电能量采集器，其结构尺寸虽然很小，但其一阶固有频率频率高，采集周围的低频振动能量还是不可观。而Huicong Liu在《Microsystem Technologies》撰文一种S型MEMS低频的压电能量采集器，器件的一阶固有频率可以达到30hz以下，但是由于硅材料的特性，导致器件很容易发生断裂。而不适合应用为无线传感器等微***供电。
经检索，公开号为CN105186922A、申请号为CN201510704059.3的中国发明专利申请，该发明公开一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器及其制备方法，包括压电能量采集器主结构、阻挡块及垫片；压电能量采集器主结构包括硅固定基座、硅基压电悬臂梁及质量块；硅固定基座包括硅层及其两侧的二氧化硅层；硅基压电悬臂梁包括硅悬臂梁支撑层及其上的压电厚膜层；硅悬臂梁支撑层包括硅层、二氧化硅层及支撑层电极层；压电厚膜层包括压电厚膜及其表面的压电厚膜电极层；质量块包括集成硅质量块及其表面的摩擦层；阻挡块包括摩擦层基座、电极层及摩擦层；垫片位于硅固定基座和阻挡块之间。
但是上述专利采用硅作为基片，无法解决振动过程中基片与压电薄膜层发生断裂的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供低频压电式MEMS振动能量采集器及其制备方法，可在低频高强度下进行工作，采用金属基片，能很好解决振动过程中基片与压电薄膜层发生断裂的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种低频压电式MEMS振动能量采集器，包括：硅固定基座、压电悬臂梁和质量块，其中：所述压电悬臂梁的一端固定在所述硅固定基座上，所述压电悬臂梁的另一端悬空并与所述质量块固定连接；所述压电悬臂梁包括：金属薄膜基片，以及附于金属薄膜基片上的压电薄膜层和电极层；其中：压电薄膜层通过环氧树脂粘附于金属薄膜基片上，在压电薄膜层表面溅射一层金属电极，得到电极层，从而实现压电薄膜层的电极层与金属薄膜基片机械串联。
优选地，所述金属薄膜基片为铜、磷青铜、铍青铜，能很好解决振动过程中基片与压电薄膜层发生断裂的问题。
优选地，所述压电薄膜层通过压电厚膜的减薄制备得到。
优选地，所述电极层为Cr、Ni、NiCr合金、Cr/Au合金或Ti/Pt合金制成。
优选地，所述压电悬臂梁和质量块通过环氧树脂胶实现粘贴。
优选地，所述质量块为钨质量块，或镍质量块。
优选地，所述硅固定基座由硅片及设置于硅片两侧的二氧化硅层构成。
根据本发明的另一个方面，提供一种低频压电式MEMS振动能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
第一步，压电陶瓷片单面抛光，并在压电陶瓷片抛光面溅射一层金属电极；
第二步，通过键合和减薄方法在基片上制备压电薄膜；
第三步，使用微加工工艺制备压电悬臂梁；
第四步，切割质量块，采用粘贴的方法使压电悬臂梁的悬空端与质量块粘贴固定。
优选地，第一步中，所述金属薄膜基片通过环氧树脂胶粘贴在双面氧化的硅片上。
优选地，第三步中，将单面抛光、溅射或蒸发完金属电极层的压电陶瓷片，通过环氧树脂粘贴在金属薄膜基片上，然后通过机械化学研磨抛光方法将压电陶瓷片厚度减薄至5-100um，接着在压电陶瓷片减薄面上溅射或蒸发一层金属电极层，从而制成压电薄膜。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明采用磷青铜等金属薄膜作为基片，同能够切实有效的解决振动过程中基片与压电薄膜层发生断裂的问题，既实现了低频而且有效的增加了器件的韧性，可以进行长时间的运行，并且可以在高强度的振动条件下运行。
本发明采用悬臂梁结构，大大降低了器件的固有频率，提高了采能元件的能量利用率，解决了传统MEMS压电能量采集器固有频率高的问题，制备方法简单，易于实现。
通过本发明制备的所述采集器固有频率明显降低，更容易采集周围环境中的振动能，且所述制备方法简单可靠，能与微加工工艺集成加工，在无线传感器节点的设计和制作中具有广泛的应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的采集器结构示意图；
图中：硅固定基座1，压电悬臂梁2，质量块3，硅片4，二氧化硅层5，基片6，压电薄膜层7，电极层8，环氧树脂胶9。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供一种低频压电式MEMS振动能量采集器，包括：硅固定基座1、压电悬臂梁2和质量块3，其中：所述压电悬臂梁2的一端固定在所述硅固定基座1上，所述压电悬臂梁2的另一端悬空并与所述质量块3固定连接。
所述压电悬臂梁包括：基片6以及附于基片6上的压电薄膜层7和电极层8，其中：电极层8覆盖于压电薄膜层7的上、下表面，所述基片6是金属薄膜基片。压电薄膜层7通过环氧树脂粘附于金属薄膜基片6上，通过溅射或蒸发的方法在压电薄膜层表面溅射一层金属电极，得到电极层8，从而实现压电薄膜层的电极层与金属薄膜基片机械串联。
本实施例中，所述硅固定基座1由硅片4及设置于硅片4两侧的二氧化硅层5构成。
本实施例中，所述压电悬臂梁2和质量块3具体通过环氧树脂实现粘贴。
本实施例中，所述质量块3为镍金属块或钨金属块。
作为一优选地实施方式，所述基片6基片6的厚度为5-100um。
作为一优选地实施方式，所述压电薄膜层7是压电陶瓷薄膜，压电薄膜层7的厚度为5-100um。
作为一优选地实施方式，所述压电薄膜层7与基片6通过环氧树脂胶9胶粘，环氧树脂胶9的厚度为2um。
本实施例还提供一种低频压电式MEMS振动能量采集器的制备方法，所述方法包括如下步骤：
第一步，压电陶瓷片单面抛光，并在压电陶瓷片抛光面溅射一层金属电极
其中：所述压电陶瓷片的长度为15mm、宽度为5mm、厚度为400um；所述金属电极是Cr/Au合金，其厚度为0.2um。
第二步，通过键合和减薄方法在基片上制备压电薄膜
其中：所述基片是指粘贴在硅片上的金属薄膜；
所述压电薄膜的制备方法，具体是：将单面抛光、溅射完电极的宽度为5mm的压电陶瓷片，通过环氧树脂粘贴在基片上，然后通过机械化学研磨抛光方法将压电陶瓷片厚度减薄至40um，接着在压电陶瓷片减薄面上溅射或蒸发一层厚度为0.20um Cr/Au合金金属电极层，完成压电薄膜的制作。
第三步，使用微加工工艺制备压电悬臂梁
其中：所述微加工工艺是指：通过光刻、显影工艺，图形化压电陶瓷薄膜，然后采用反应离子刻蚀刻蚀(RIE)SiO2在正交的掩膜作用下，光刻图形处SiO2，刻蚀SiO2后，将硅通过深硅刻蚀(DRIE)的方法刻蚀掉，最后使用切片机切割，切成所需要压电悬臂梁，使压电悬臂梁的一端固定、另一端悬空。
第四步，采用切割机切割出质量块，并使用胶粘贴方法使质量块粘于压电悬臂梁的悬空端
所述胶粘贴方法，具体是：通过丝网印刷法，将厚度小于2um的环氧树脂胶涂在钨金属块上，进而使钨金属块贴在压电悬臂梁的悬空端，随后将粘有钨金属块的压电悬臂梁在50℃温度下固化1小时，随后在100℃下固化3小时。
该粘贴方法可以使得本发明质量块、压电悬臂梁的结合更为牢固，可在低频高强度下进行工作，同时采用金属基片，能很好解决振动过程中基片与压电薄膜层发生断裂的问题。
第五步，焊接电导线。
通过上述步骤制备得到的低频压电式MEMS振动能量采集器较现有的MEMS压电能量采集器的一阶固有频率可降低到50hz以下，可有效克服MEMS压电能量采集器一阶固有频率高的问题。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种低频压电式MEMS振动能量采集器，其特征在于，包括：硅固定基座、压电悬臂梁和质量块，其中：所述压电悬臂梁的一端固定在所述硅固定基座上，所述压电悬臂梁的另一端悬空并与所述质量块固定连接；所述压电悬臂梁包括：金属薄膜基片，以及压电薄膜层和电极层；其中：压电薄膜层通过环氧树脂粘附于金属薄膜基片上，在压电薄膜层表面溅射一层金属电极，得到电极层，从而实现压电薄膜层的电极层与金属薄膜基片机械串联。
2.根据权利要求1所述一种低频压电式MEMS振动能量才采集器，其特征在于，所述金属薄膜基片，其中金属材料为铜、磷青铜或铍青铜。
3.根据权利要求1所述一种低频压电式MEMS振动能量采集器，其特征在于，所述压电薄膜层通过压电厚膜的减薄制备得到。
4.根据权利要求1所述一种低频压电式MEMS振动能量采集器，其特征在于，所述电极层为Cr、Ni、NiCr合金、Cr/Au合金或Ti/Pt合金制成。
5.根据权利要求1所述一种低频压电式MEMS振动能量采集器，其特征在于，所述压电悬臂梁和质量块通过环氧树脂胶实现粘贴。
6.根据权利要求1-5任一项所述一种低频压电式MEMS振动能量采集器，其特征在于，所述质量块为钨质量块，或镍质量块。
7.根据权利要求1-5任一项所述一种低频压电式MEMS振动能量采集器，其特征在于，所述硅固定基座由硅片及设置于硅片两侧的二氧化硅层构成。
8.一种权利要求1-7任一项所述低频压电式MEMS振动能量采集器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，压电陶瓷片单面抛光，并在压电陶瓷片抛光面溅射一层金属电极；
第二步，通过键合和减薄方法在基片上制备压电薄膜；
第三步，使用微加工工艺制备压电悬臂梁；
第四步，切割质量块，采用粘贴的方法使压电悬臂梁的悬空端与质量块粘贴固定。
9.根据权利要求8所述一种低频压电式MEMS振动能量采集器的制备方法，其特征在于，第一步中，所述金属薄膜基片通过环氧树脂胶粘贴在双面氧化的硅片上。
10.根据权利要求8所述一种低频压电式MEMS振动能量采集器的制备方法，其特征在于，第三步中，将单面抛光、溅射或蒸发完金属电极层的压电陶瓷片，通过环氧树脂粘贴在金属薄膜基片上，然后通过机械化学研磨抛光方法将压电陶瓷片厚度减薄至5-100um，接着在压电陶瓷片减薄面上溅射或蒸发一层金属电极层，从而制成压电薄膜。
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