CN111952436B - 一种无源压电自供能单元结构的制备工艺 - Google Patents

一种无源压电自供能单元结构的制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无源压电自供能单元结构的制备工艺，包括：在硅基片的正面、背面分别沉积氧化硅层、氮化硅层；对所述硅基片背面的氮化硅层和氧化硅层进行蚀刻，形成阵列图案；湿法腐蚀硅基片，在所述硅基片的背面形成阵列式的矩形空腔；在硅基片正面的所述氮化硅层上溅射下电极层；在所述下电极层上溅射压电薄膜，并为所述压电薄膜开设缝隙；在所述压电薄膜上溅射上电极层；采用深反应离子刻蚀，去除所述矩形空腔内的硅基底，释放压电薄膜。

Description

一种无源压电自供能单元结构的制备工艺
技术领域
本申请属于能量采集技术领域，尤其是涉及一种无源压电自供能单元结构的制备工艺。
背景技术
所谓自供能或能量采集(Self-powering or Energy Harvesting)就是将环境中其它形式的能量(如光、热、机械、电磁、生化能等)转化为电能，为电子***供能。自供能不需要通常的化学电池或电力电源供能，通过转化环境中其它形式能量，可以长期不断得到电能。
由于压电材料特有的机电转换特性，许多能量采集器都采用压电材料(元件)作为能量转换、输出部件。
目前采用MEMS工艺制作的微型能量采集器工作原理多基于压电效应、电磁感应和静电生能等。其中，基于压电效应的能量采集器，因其具有较高的输出功率密度、制作工艺成熟且易于集成制造等优点而得到广泛应用。当压电式能量采集器在工作的时候，根据谐振理论，当器件的固有频率与外界的振动频率一致时，器件的振幅最大且可以获得最优的输出性能。生活中，大多数振动源的基本特征频率主要集中在10-200Hz，所以设计的压电式能量采集器的固有频率应尽量处于这一范围之中以获得最大输出。此外，环境中的振动频率会因不同因素而发生改变，所以多频的能量采集器更易匹配振动源频率而表现出更加优良的输出性能。
目前制作压电薄膜的方法有很多，但是现有方法大都存在一些缺点，譬如制作过程需要高温环境会对材料压电性能造成影响，薄膜的厚度受到所用技术限制，材料的均匀性、可靠性等难以保证，重复过 程比较困难等。
而且，现有制作方法得到的能量收集单元结构的能量收集效率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中压电薄膜制作方法需要高温环境，会对材料压电性能造成影响，从而使薄膜的厚度受到限制，同时制作的能量收集单元结构的能量收集效率低的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种无源压电自供能单元结构的制备工艺，包括：
清洗硅基片；
以所述硅基片为基底，在所述硅基片的正面、背面分别沉积2000Å氧化硅层和3000Å氮化硅层；
对所述硅基片背面的氮化硅层和氧化硅层进行干法蚀刻，形成阵列图案；
在浓度为33%的80℃氢氧化钾溶液中湿法腐蚀所述硅基片，在所述硅基片的背面形成矩形空腔；
在硅基片正面的所述氮化硅层上溅射下电极层；
在所述下电极层上溅射压电薄膜，并为所述压电薄膜开设缝隙，所述缝隙直通至下电极层，且所述缝隙位置与所述矩形空腔的位置相错开
在所述压电薄膜上溅射上电极层；
采用深反应离子刻蚀，去除所述矩形空腔底部的硅基底，释放压电薄膜。
可选的是，根据本发明实施例所述的无源压电自供能单元结构的制备工艺，对所述硅基片背面的氮化硅层和氧化硅层进行干法蚀刻的步骤包括：
在硅基片的正面旋涂光刻胶；
在光刻机上曝光，采用真空接触方式，距离45
Figure 369869DEST_PATH_IMAGE001
，曝光时间30s；
在浓度为6%的NaOH溶液中显影，显影时间为2分钟；
采用SF6刻蚀氮化硅层和氧化硅层，形成阵列图案。
可选的是，根据本发明实施例所述的无源压电自供能单元结构的制备工艺，所述上电极层和所述下电极层的材料均为导电非金属、金属或金属化合物。
可选的是，根据本发明实施例所述的无源压电自供能单元结构的制备工艺，所述上电极层和所述下电极层的材料为Au、Pt、Cu、Al、Cr、Ni、Cr/Ni合金、Cr/Cu合金、Cr/Au合金或Ti/Pt合金、ITO、碳纳米管、或石墨烯。
可选的是，根据本发明实施例所述的无源压电自供能单元结构的制备工艺，所述压电薄膜层的材料为ZnO。
可选的是，根据本发明实施例所述的无源压电自供能单元结构的制备工艺，所述压电薄膜的厚度为0.007
Figure 614906DEST_PATH_IMAGE001
~9
Figure 660222DEST_PATH_IMAGE001
。
本发明的有益效果是：本发明通过对能量收集单元进行阵列化的结构设计，从而提升自供能的能量收集效率。
本发明制备工艺得到的压电薄膜厚度较小，因此，其形变需要的作用力很微弱，从而有利于产生极化电荷。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本发明实施例的工艺方法流程图；
图 2 是本发明实施例的加工工艺过程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
本实施例提供一种无源压电自供能单元结构的膜制备工艺，如图 1所示，包括：
S1:清洗硅基片；
S2:以所述硅基片为基底，在所述硅基片的正面、背面分别依次沉积2000Å氧化硅层和3000Å氮化硅层；
S3:对所述硅基片背面的氮化硅层和氧化硅层进行干法蚀刻，形成阵列图案；
S4:在浓度为33%的80℃氢氧化钾溶液中湿法腐蚀所述硅基片，在所述硅基片的背面形成矩形空腔；
S5:在硅基片正面的所述氮化硅层上溅射下电极层；
S6: 在所述下电极层上溅射压电薄膜，并为所述压电薄膜开设缝隙，所述缝隙直通至下电极层，且所述缝隙位置与所述矩形空腔的位置相错开；
S7:在所述压电薄膜上溅射上电极层；
S8:采用深反应离子刻蚀，去除所述矩形空腔底部的硅基底，释放压电薄膜。
本实施例首先需要选取一个硅基片作为基底，如图2中的（a） 所示，该硅基片可以为 n 型或者p+型硅基片，厚度为 10，本领域技术人员可以根据工程需要选择不同厚度的硅基片，该硅基片具有正面和背面，对选取的硅基片采用标准清洗工艺进行清洗。
如图 2中的(b)，在硅基片的正面和背面均沉积2000Å氧化硅层（SiO2），然后再分别沉积3000Å氮化硅层（Si3N4），如图2中的(c)。
硅基片背面的氮化硅和氧化硅构成掩膜层，可以理解，该掩膜层结构主要用于阻挡腐蚀液对硅基片的腐蚀。
硅基片正面的氮化硅和氧化硅构成支撑层，该支撑层主要用于对压电薄膜的支撑和辅助震动。
对于支撑层和掩膜层，本领域技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同的材料薄膜，而非仅限于上述氮化硅和氧化硅薄膜。
如图2中的(d)~(f)完成了对所述硅基片背面的氮化硅层和氧化硅层进行干法蚀刻，形成阵列图案。本实施例的具体实现方案如下：
在硅基片的正面旋涂光刻胶，如图2中的(d)所示；
在光刻机上曝光，采用真空接触方式，距离45
Figure 258694DEST_PATH_IMAGE001
，曝光时间30s；
在浓度为6 %的NaOH溶液中显影，显影时间为2分钟，如图2中的(e) 所示；
采用SF6刻蚀氮化硅层和氧化硅层，形成阵列图案，如图2中的(f)所示。
如图2中的(g) 所示，在浓度为33%的80℃氢氧化钾溶液中湿法腐蚀所述硅基片，将SiO2层和Si3N4层的阵列图案间隙内的硅基片不完全腐蚀，本实施例腐蚀8
Figure 338645DEST_PATH_IMAGE001
厚度的硅基片，而SiO2层和Si3N4层下方的硅基片未被腐蚀，从而在所述硅基片的背面形成阵列式的矩形空腔。
如图2中的(h)所示，在硅基片正面溅射下电极层，所述下电极层的材料均为导电非金属、金属或金属化合物。作为一种可选的实施例，所述下电极层的材料可以为Au、Pt、Cu、Al、Cr、Ni、Cr/Ni合金、Cr/Cu合金、Cr/Au合金或Ti/Pt合金、ITO、碳纳米管、或石墨烯，本实施例所示的为Pt薄膜。该下电极层位于硅基片正面的氮化硅层和氧化硅层构成的支撑层上。
如图2中的(i)所示，在下电极层上溅射压电薄膜，并为压电薄膜开设间隙，所述缝隙直通至下电极层，且所述缝隙位置与所述矩形空腔的位置相错开。压电薄膜的厚度可以为0.007
Figure 489004DEST_PATH_IMAGE002
~9
Figure 21617DEST_PATH_IMAGE001
，本实施例优选为1
Figure 423779DEST_PATH_IMAGE002
。本实施例压电薄膜厚度较小，其形变需要的作用力就很微弱，从而有利于产生极化电荷。优选的，本实施例选取的压电薄膜材料为具有良好压电性能的氧化锌（ZnO）。
本实施例压电薄膜上具有缝隙，可以使部分下电极层朝向压电薄膜的一侧漏出，可以采用刻蚀的方式形成该缝隙。缝隙的位置与矩形空腔的位置错开，该缝隙便于后续对下电极层进行后续电学操作。
如图2中的(j)所示，在压电薄膜上溅射上电极层，该下电极层溅射在压电薄膜上，同样设置有与压电薄膜相对应的间隙。所述下电极层的材料均为导电非金属、金属或金属化合物。作为一种可选的实施例，所述下电极层的材料可以为Au、Pt、Cu、Al、Cr、Ni、Cr/Ni合金、Cr/Cu合金、Cr/Au合金或Ti/Pt合金、ITO、碳纳米管、或石墨烯，本实施例所示的为Pt薄膜。
如图2中的(k)所示，采用DRIE（Deep Reactive Ion Etching，深反应离子刻蚀），对硅基片背面的矩形空腔底部的硅基片进行蚀刻，去除所述矩形空腔底部的硅基片，释放压电薄膜，如图2中的(l)所示。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种无源压电自供能单元结构的制备工艺，其特征在于，包括：
清洗硅基片；
在所述硅基片的正面、背面分别依次沉积2000Å氧化硅层和3000Å氮化硅层；
对所述硅基片背面的氮化硅层和氧化硅层进行干法蚀刻，形成阵列图案；
在浓度为33%的80℃氢氧化钾溶液中湿法腐蚀所述硅基片，在所述硅基片的背面形成阵列式的矩形空腔；
在硅基片正面的所述氮化硅层上溅射下电极层；
在所述下电极层上溅射压电薄膜，并为所述压电薄膜开设缝隙，所述缝隙直通至下电极层，且所述缝隙位置与所述矩形空腔的位置相错开；
在所述压电薄膜上溅射上电极层；
采用深反应离子刻蚀，去除所述矩形空腔底部的硅基底，释放压电薄膜。
2.根据权利要求1所述的无源压电自供能单元结构的制备工艺，其特征在于，对所述硅基片背面的氮化硅层和氧化硅层进行干法蚀刻的步骤包括：
在硅基片的正面旋涂光刻胶；
在光刻机上曝光，采用真空接触方式，距离45
Figure 845959DEST_PATH_IMAGE002
，曝光时间30s；
在浓度为6%的NaOH溶液中显影，显影时间为2分钟；
采用SF6刻蚀氮化硅层和氧化硅层，形成阵列图案。
3.根据权利要求1所述的无源压电自供能单元结构的制备工艺，其特征在于，所述上电极层和所述下电极层的材料均为导电非金属、金属或金属化合物。
4.根据权利要求3所述的无源压电自供能单元结构的制备工艺，其特征在于，所述上电极层和所述下电极层的材料为Au、Pt、Cu、Al、Cr、Ni、Cr/Ni合金、Cr/Cu合金、Cr/Au合金或Ti/Pt合金、ITO、碳纳米管、或石墨烯。
5.根据权利要求1所述的无源压电自供能单元结构的制备工艺，其特征在于，所述压电薄膜层的材料为ZnO。
6.根据权利要求5所述的无源压电自供能单元结构的制备工艺，其特征在于，所述压电薄膜的厚度为0.007
Figure 559837DEST_PATH_IMAGE002
~9
Figure 73995DEST_PATH_IMAGE002
。
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