CN101515746A - 微型电磁式能量采集器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电系统(MEMS)电磁式能量采集器及制备方法，它采用体硅和表面微机械加工技术相结合的三维微机械加工方法，利用体硅微机械加工技术的方法刻蚀硅片V型槽，在V型槽内电镀能量采集器的永磁体(阵列)，利用表面微机械加工技术的方法制备能量采集器的振动膜(“蟹脚”状悬臂梁和振动平板)和平面螺旋线圈。本发明的电磁式能量采集器采用电镀法制备永磁体(阵列)，来代替传统能量采集器的永磁体的微装配或者粘连手段，使得能量采集器及制备可以与IC工艺相兼容。

Description

微型电磁式能量采集器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于采集环境机械振动或生物体运动能量的微机电系统(MEMS)的微型电磁式能量采集器及制备方法，利用电镀法制备电磁式能量采集器所需的永磁体，然后利用MEMS体硅和表面微机械加工技术相结合的方法制备能量采集器，属于微机电系统领域。

背景技术

随着微纳技术的快速发展，大量新型微纳器件与系统不断的开发出来，如微型发电机、纳米结构光电子器件，用于防病治病的纳米药物输运和定向治疗等，但是，微纳产品的供电问题正成为困扰其应用的主要障碍，原因是目前这些微纳系统的供电主要依靠电池。为避免频繁的更换电池，这就要求电池的工作寿命不断延长，而在一些特殊的微纳产品或装置中，特别是在植入式系统(如心脏起搏器，植入式传感器等)中，更换电池或充电更是困难。替代电池作为微纳传感器能源的技术途径主要是从微型器件的环境中采集能量，然后将环境的能量转换成电能。由于振动在工业、建筑甚至生物体中(如肢体运动、血液流动、心脏跳动等)时刻存在，所以采集环境振动的MEMS电磁式能量采集器得到了国内外同行的重视。在已经开展的研究中，由于加工技术多采用组装式工艺或粘连手段将永磁体装配到能量采集器中，导致器件体积、效率、与传感器的集成等方面还有较大不足。Amirtharajah等人在“Self-powered signalprocessing using vibration-based power generation”(IEEE Journal ofSolid-State Circuits，1998，33：687-695)(中文题目：“基于振动式能量发电机的自供电信号处理”，国际期刊：IEEE固体电路学报)文章中报导了一个带有0.5g质量块的移动线圈和固定永磁体的能量采集器，体积有4×4×10cm³，并有匝数比为1∶10的变压器。仿真结果显示，在2Hz频率振动下，可以获得400μW的能量，输出电压为180mV。Glynne-Jones等人在“An electromagnetic，vibration powered generator for intelligent sensor systems”(Sensors andactuators A，2004，110：344-349)(中文题目：“用于智能传感系统的电磁式振动能量发电机”，国际期刊：传感器和执行器A)文章中报导了永磁体、悬梁和固定线圈的能量采集器，这个器件约有3.15cm³，在322Hz振动频率下，输出功率157μW，输出电压250mV，所得结果很不错，但是器件尺寸较大。王佩红(Pei-Hong Wang)等人在“Design，fabrication and performance of a newvibration-based electromagnetic micro power generator”(Microelectronics Journal，2007，38：1175-1180)(中文题目：“一种新型振动式电磁能量发电机的设计、制备和性能”，国际期刊：微电子学报)文章中报导了利用MEMS组装工艺制作了电磁式能量采集器。该能量采集器由硅衬底上的NdFeB永磁体、平面螺旋悬臂梁和玻璃衬底的两层铜线圈装配组成，在121.25Hz激励下，输出电压约60mV，该能量采集器的体积为2×2×1mm³，永磁体和平面螺旋悬臂梁的手工粘连是一大难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型电磁式能量采集器及制备方法。利用电镀工艺制备电磁式能量采集器的永磁体，代替目前的微装配或手工粘连永磁体的方法，结合MEMS体硅和表面微机械加工技术来制备电磁式能量采集器。

微型电磁式能量采集器，包括电镀永磁体、振动膜和平面螺旋线圈三个主要部分，硅片刻蚀出硅片V型槽，位于硅片V型槽内的电镀永磁体阵列，振动膜位于硅片表面，正对电镀永磁体阵列，而平面螺旋线圈位于振动膜的正上方。

当振动膜的固有频率接近或等于外界环境振动的频率时，振动膜发生谐振，引起平面螺旋线圈振动，从而穿过平面螺旋线圈的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，平面螺旋线圈就会有感应电动势，从而在外加负载上输出功率。

电镀永磁体的方法：

本发明的电镀永磁体材料为CoNiMnP永磁材料，CoNiMnP容易在硅基体上电镀，而且与硅衬底的结合较好。电镀永磁体阵列而没有采用电镀一整块磁体，是由于永磁体阵列可以减少CoNiMnP电镀层与硅基体之间的应力。永磁体阵列的电镀装置如图2所示，采用Co作为阳极，以维持电镀液中Co离子的浓度，另外，在电镀槽两侧沿垂直于硅片6方向放置两块强永磁体8(比如NdFeB)以形成外加磁场，在电镀时对电镀的永磁体阵列进行垂直磁场取向，为了改善电镀层磁体的磁性能和均匀性，可以采取搅拌器7等对电镀液进行搅拌，硅片6连接恒流源5的负极在电镀槽的一侧，恒流源5的阳极连接于电镀槽的另一侧。

永磁体的矫顽力和剩磁与磁体的几何形状有关。磁体的高度、横截面影响磁体的矫顽力、剩磁和退磁因子。当横截面积一定时，可以通过控制电镀磁体厚度来改变磁体的矫顽力、剩磁和磁能积。为了降低电镀永磁体膜层的内应力，除了电镀永磁体阵列代替电镀整块磁体之外，还可以：在电镀液配方中添加糖精，糖精添加剂分子可以吸附在空穴处阻碍位错的生成，从而使得镀层应力下降；采用低浓度镀液，有利于降低镀层的内应力；电镀夹层薄膜，比如三明治Ni/CoNiMnP/Ni，磁性变化不大，但可以降低应力。

振动膜的尺寸设计：

振动膜有四个“蟹脚”状的悬臂梁和振动平板组成，“蟹脚”状的悬臂梁如图3所示。悬臂梁连接在振动平板的四个直角处，厚度一样，电镀时悬臂梁和平板一起电镀，而悬臂梁的后端是锚点9，锚点9锚接在硅片10上。

根据弹性力学原理，四个蟹状梁的等效弹性系数k_eff为：

$k_{\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{EtW}}_b^3(4L_b+\mathrm{\α}{L}_a)}{L_b^3(L_b+\mathrm{\α}{L}_a)}---\left(1\right)$

$\mathrm{\α}={\left(\frac{W_b}{W_a}\right)}^3---\left(2\right)$

式中，E为悬臂梁的杨氏模量，t为振动膜的厚度，L_b和W_b分别为“蟹脚”胫的长度和宽度，L_a和W_a分别为“蟹脚”股的长度和宽度。

能量采集器系统的固有频率为：

$f_{\mathrm{res}}=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{k_{\mathrm{eff}}}{m}}---\left(3\right)$

式中，m为振动膜的质量和平面螺旋线圈质量之和。

根据(1)-(3)式，可以确定能量采集器的谐振频率，从而设计出采集外界环境不同振动频率的能量采集器，如果采集对象是生物体，只要外加一些处理电路，就可以采集生物体运动能量。

一种微型电磁式能量采集器制备方法，包括如下步骤实现：

(a)处理、清洗硅片10；

(b)在硅片10背面制作用于对准的金属对准符号标记20；

(c)在硅片10正面等离子增强化学气相沉积(PECVD)1μm的SiO₂ 30；

(d)甩正胶40、光刻、刻蚀SiO₂和硅，形成硅片V型槽1；

(e)去胶、溅射第一层100nm的Cr/Cu种子层50；

(f)甩胶、光刻、电镀永磁体阵列60；

(g)去胶、去第一层种子层、甩胶、化学机械抛光；

(h)溅射第二层100nm的Cr/Cu种子层、甩胶、光刻、制作振动膜70；

(i)去胶、甩胶、电镀平面螺旋线圈80；

(j)无掩膜曝光去除种子层上面的光刻胶、去除第二层种子层、去除种子层下面的光刻胶。

利用本发明制造的电镀永磁体的MEMS电磁式能量采集器的优点在于：(1)电镀法制备的永磁体以及三维微机械加工方法，使得能量采集器的尺寸更小，相比微装配或者手工粘连永磁体，电镀法制备的永磁体与平面螺旋线圈的间距进一步缩小，可以获得更大的输出功率；(2)相对于目前微装配或手工粘连永磁体的电磁式能量采集器，本发明的能量采集器与IC工艺相兼容，可以与处理电路相集成，易于封装，适于大规模生产，使得微纳传感器的自我供电成为可能；(3)本发明适合生物体应用，不但为微纳传感器自我供电提供了技术途径，而且为微纳传感器在生物体内的无线应用提供了可能，可以应用于内置生物传感器、生物医药监控和生物活体探测等；(4)本发明的电镀法制作永磁体，还可以在其它MEMS器件和系统制作上进行应用，比如磁致致动器、电磁继电器、磁芯电感、可调电感、电磁马达等。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的微型电磁式能量采集器示意图。

图2为本发明提供的电镀永磁体阵列的电镀槽示意图。

图3为本发明能量采集器的振动膜“蟹脚”状悬臂梁示意图。

图4为微型电磁式能量采集器及制作工艺过程。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1

微型电磁式能量采集器，由电镀永磁体60、振动膜70和平面螺旋线圈80三个主要部分组成，如图1所示。硅片V型槽1由湿法刻蚀硅片10获得，本发明的能量采集器的永磁体是由位于硅片V型槽1内的电镀永磁体阵列60来实现的，振动膜70位于硅片表面，正对电镀永磁体阵列60，而平面螺旋线圈80位于振动膜70的正上方。振动膜70为四个蟹脚状的悬臂梁和振动平板组成，蟹脚状的悬臂梁如图3所示。悬臂梁连接在振动平板的四个直角处，厚度一样，电镀时悬臂梁和平板一起电镀，而悬臂梁的后端是锚点9，锚点9锚接在硅片10上。

当振动膜70的固有频率接近或等于外界环境振动的频率时，振动膜70发生谐振，引起平面螺旋线圈80振动，从而穿过平面螺旋线圈80的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，平面螺旋线圈80就会有感应电动势，从而在外加负载上输出功率。

一种微型电磁式能量采集器制备方法，采用体硅和表面微机械加工技术相结合的三维微机械加工方法，即利用体硅微机械加工技术的方法刻蚀硅，形成V型槽，在V型槽内电镀永磁体，再通过表面微机械加工技术的方法制作振动膜和平面螺旋线圈。

包括如下步骤：

(1)背面对准符号制作

在硅片背面溅射100nm的金属铬，然后甩5μm厚的正胶AZ P4620，光刻、显影，用8％盐酸刻蚀金属铬，用丙酮去除正胶，得到金属铬的背面对准符号。

(2)硅片V型槽制作

湿法刻蚀等离子增强化学气相沉积(PECVD)的SiO₂所用的腐蚀剂为缓冲氧化硅腐蚀液，腐蚀液成分为HF∶NH4F∶H₂O＝84∶339∶510(质量比)，刻蚀温度为45℃，腐蚀速率为0.4μm/min。SiO₂的腐蚀为各向同性腐蚀，由于HF酸对SiO₂的腐蚀速率远大于对Si的腐蚀，因此在正胶的掩蔽作用下，光刻图形地方的SiO₂将被HF酸腐蚀。腐蚀SiO₂后，采用KOH溶液(配比KOH∶H₂O＝44g∶100ml)腐蚀Si，刻蚀温度为85℃，腐蚀速率为1.4μm/min，Si的腐蚀为各向异性腐蚀，被HF酸刻蚀的SiO₂下方的Si被刻蚀掉，形成V型槽。

(3)永磁体电镀制作

在制作硅片V型槽之后，溅射一层100nm的Cr/Cu种子层，甩10μm的正胶AZ P4903，曝光时间70s，显影时间120s，然后电镀CoNiMnP永磁材料，电镀的永磁体阵列为3×3(3行3列)，每个永磁体的横截面为250μm×250μm，阵列永磁体的间距为80μm。电镀条件：电流密度为5mA/cm²，PH值为3.5，并用磁力搅拌器搅拌。电镀液配方为：CoCl₂·6H2O(24g/l)，NiCl₂·6H2O(24g/l)，MnSO₄·H₂O(3.4g/l)，NaH₂PO₂(4.4g/l)，H₃BO₃(25g/l)，NaCl(24g/l)，C₁₂H₂₅O₄NaS(0.3g/l)，糖精(0.9g/l)。电镀液是上述所有成分的组合，为保证镀膜均匀致密，电镀的速率约为2μm/h。

(4)振动膜制作

永磁体阵列电镀之后，去胶、去第一层种子层，然后甩5μm的正胶AZ P4620、化学机械抛光、溅射第二层100nm的Cr/Cu种子层，再甩3μm的正胶AZ P4620胶，曝光时间40s，显影时间60s，然后电镀Cu或Ni的振动膜。振动膜厚度为3μm，振动膜的振动平板长和宽都为700μm，“蟹脚”状悬臂梁胫66和股55的长度分别为850μm、100μm，胫66和股55的宽度都为50μm。

(5)平面螺旋线圈制作

在振动膜制作之后，去除光刻胶胶，再甩一层5μm的正胶AZ P4620，曝光时间60s，显影时间80s，电镀平面螺旋线圈。平面螺旋线圈的匝数为10，导线宽度为40μm，导线间距为30μm。

实施例2

一种微型电磁式能量采集器制备方法，采用体硅和表面微机械加工技术相结合的三维微机械加工方法，即利用体硅微机械加工技术的方法刻蚀硅，形成V型槽，在V型槽内电镀永磁体，再通过表面微机械加工技术的方法制作振动膜和平面螺旋线圈。

包括如下步骤：

(1)背面对准符号制作

在硅片背面溅射100nm的金属铬，然后甩5μm厚的正胶AZ P4620，光刻、显影，用8％盐酸刻蚀金属铬，用丙酮去除正胶，得到金属铬的背面对准符号。

(2)硅片V型槽制作

湿法刻蚀等离子增强化学气相沉积(PECVD)的SiO₂所用的腐蚀剂为缓冲氧化硅腐蚀液，腐蚀液成分为HF∶NH4F∶H2O＝84∶339∶510(质量比)，刻蚀温度为45℃，腐蚀速率为0.4μm/min。SiO₂的腐蚀为各向同性腐蚀，由于HF酸对SiO₂的腐蚀速率远大于对Si的腐蚀，因此在正胶的掩蔽作用下，光刻图形地方的SiO₂将被HF酸腐蚀。腐蚀SiO₂后，采用KOH溶液(配比KOH∶H₂O＝44g∶100ml)腐蚀Si，刻蚀温度为85℃，腐蚀速率为1.4μm/min，Si的腐蚀为各向异性腐蚀，被HF酸刻蚀的SiO₂下方的Si被刻蚀掉，形成V型槽。

(3)永磁体电镀制作

在制作硅片V型槽之后，溅射一层100nm的Cr/Cu种子层，甩20μm的正胶AZ P4903，曝光时间220s，显影时间150s，然后电镀CoNiMnP永磁材料，电镀的永磁体阵列为4×4(4行4列)，每个永磁体的横截面为200μm×200μm，阵列永磁体的间距为50μm。电镀条件：电流密度为10mA/cm²，PH值为3.6，并用磁力搅拌器搅拌。电镀液配方为：CoCl₂·6H2O(23.8g/l)，NiCl₂·6H2O(23.8g/l)，MnSO₄·H₂O(3.2g/l)，NaH₂PO₂(4.2g/l)，H₃BO₃(24.5g/l)，NaCl(23.5g/l)，C₁₂H₂₅O₄NaS(0.3g/l)，糖精(0.9g/l)。电镀液是上述所有成分的组合，为保证镀膜均匀致密，电镀的速率约为3μm/h。

(4)振动膜制作

永磁体阵列电镀之后，去胶、去第一层种子层，然后甩5μm的正胶AZ P4620、化学机械抛光、溅射第二层100nm的Cr/Cu种子层，再甩3μm的正胶AZ P4620胶，曝光时间40s，显影时间60s，然后电镀Cu或Ni的振动膜。振动膜厚度为3μm，振动膜的振动平板长和宽都为600μm，“蟹脚”状悬臂梁胫66和股55的长度分别为700μm、80μm，胫66和股55的宽度都为30μm。

(5)平面螺旋线圈制作

在振动膜制作之后，去除光刻胶胶，再甩一层10μm的正胶AZ P4903，曝光时间70s，显影时间120s，电镀平面螺旋线圈。平面螺旋线圈的匝数为8，导线宽度为50μm，导线间距为40μm。

实施例3

一种微型电磁式能量采集器制备方法，采用体硅和表面微机械加工技术相结合的三维微机械加工方法，即利用体硅微机械加工技术的方法刻蚀硅，形成V型槽，在V型槽内电镀永磁体，再通过表面微机械加工技术的方法制作振动膜和平面螺旋线圈。

包括如下步骤：

(1)背面对准符号制作

在硅片背面溅射100nm的金属铬，然后甩5μm厚的正胶AZ P4620，光刻、显影，用8％盐酸刻蚀金属铬，用丙酮去除正胶，得到金属铬的背面对准符号。

(2)硅片V型槽制作

湿法刻蚀等离子增强化学气相沉积(PECVD)的SiO₂所用的腐蚀剂为缓冲氧化硅腐蚀液，腐蚀液成分为HF∶NH4F∶H2O＝84∶339∶510(质量比)，刻蚀温度为45℃，腐蚀速率为0.4μm/min。SiO₂的腐蚀为各向同性腐蚀，由于HF酸对SiO₂的腐蚀速率远大于对Si的腐蚀，因此在正胶的掩蔽作用下，光刻图形地方的SiO₂将被HF酸腐蚀。腐蚀SiO₂后，采用KOH溶液(配比KOH∶H₂O＝44g∶100ml)腐蚀Si，刻蚀温度为85℃，腐蚀速率为1.4μm/min，Si的腐蚀为各向异性腐蚀，被HF酸刻蚀的SiO₂下方的Si被刻蚀掉，形成V型槽。

(3)永磁体电镀制作

在制作硅片V型槽之后，溅射一层100nm的Cr/Cu种子层，甩30μm的正胶AZ P4903，曝光时间240s，显影时间300s，然后电镀CoNiMnP永磁材料，电镀的永磁体阵列为5×5(5行5列)，每个永磁体的横截面为150μm×150μm，阵列永磁体的间距为30μm。电镀条件：电流密度为8mA/cm²，PH值为3.5，并用磁力搅拌器搅拌。电镀液配方为：CoCl₂·6H2O(23g/l)，NiCl₂·6H2O(23g/l)，MnSO₄·H₂O(3g/l)，NaH₂PO₂(4g/l)，H₃BO₃(24g/l)，NaCl(23g/l)，C₁₂H₂₅O₄NaS(0.3g/l)，糖精(0.9g/l)。电镀液是上述所有成分的组合，为保证镀膜均匀致密，电镀的速率约为2μm/h。

(4)振动膜制作

永磁体阵列电镀之后，去胶、去第一层种子层，然后甩5μm的正胶AZ P4620、化学机械抛光、溅射第二层100nm的Cr/Cu种子层，再甩3μm的正胶AZ P4620胶，曝光时间40s，显影时间60s，然后电镀Cu或Ni的振动膜。振动膜厚度为3μm，振动膜的振动平板长和宽都为500μm，“蟹脚”状悬臂梁胫66和股55的长度分别为600μm、50μm，胫66和股55的宽度都为30μm。

(5)平面螺旋线圈制作

在振动膜制作之后，去除光刻胶胶，再甩一层10μm的正胶AZ P4903，曝光时间70s，显影时间120s，电镀平面螺旋线圈。平面螺旋线圈的匝数为6，导线宽度为60μm，导线间距为30μm。

Claims (6)

1、一种微型电磁式能量采集器，包括刻蚀V型槽、电镀永磁体、振动膜和平面螺旋线圈，其特征在于：硅片刻蚀出硅片V型槽，在硅片V型槽内电镀永磁体阵列，振动膜位于硅片表面，正对电镀永磁体阵列，而平面螺旋线圈位于振动膜的正上方。

2.根据权利要求1所述的一种微型电磁式能量采集器，其特征是：振动膜为四个蟹脚状的悬臂梁和振动平板组成，悬臂梁连接在振动平板的四个直角处，而悬臂梁的后端是锚点，锚点锚接在硅片上。

3.根据权利要求2所述的一种微型电磁式能量采集器，其特征是：振动膜振动膜厚度为3μm，振动膜的振动平板长和宽都为500-700μm，蟹脚状悬臂梁胫和股的长度分别为600-850μm、50-100μm，胫和股的宽度都为30-50μm。

4.根据权利要求3所述的一种微型电磁式能量采集器，其特征是：电镀永磁体阵列为3行3列，每个永磁体的横截面为250μm×250μm，阵列永磁体的间距为80μm；或

电镀永磁体阵列为4行4列，每个永磁体的横截面为200μm×200μm，阵列永磁体的间距为50μm；或

电镀永磁体阵列为5行5列，每个永磁体的横截面为150μm×150μm，阵列永磁体的间距为30μm。

5、MEMS微型电磁式能量采集器的制备方法，其特征在于制备工艺包括如下工艺步骤：

(a)处理、清洗硅片；(b)在硅片背面制作用于对准的金属对准符号标记；(c)在硅片正面等离子增强化学气相沉积PECVD1μm的SiO₂；(d)甩胶、光刻、刻蚀SiO₂和硅，在硅片形成V型槽；(e)去胶、溅射第一层100nm的Cr/Cu种子层；(f)甩胶、光刻、电镀永磁体阵列；(g)去胶、去第一层种子层、甩胶、化学机械抛光；(h)溅射第二层100nm的Cr/Cu种子层、甩胶、光刻、制作振动膜；(i)去胶、甩胶、电镀平面螺旋线圈；(j)无掩膜曝光去除种子层上面的光刻胶、去除第二层种子层、去除种子层下面的光刻胶。

6、按权利要求5所述的方法，其特征在于采用体硅和表面微机械加工技术相结合的三维微机械加工方法，即利用体硅微机械加工技术的方法刻蚀硅，形成V型槽，在V型槽内电镀永磁体，再通过表面微机械加工技术的方法制作振动膜和平面螺旋线圈。

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