CN101944860A - 压电悬臂梁振动能量采集器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种微机电技术领域的压电悬臂梁振动能量采集器及其制备方法，装置包括：上悬臂、下悬臂、质量块和固定装置，其中：质量块位于下悬臂上的一端，固定装置固定在下悬臂上的另一端，上悬臂设置在质量块和固定装置上且与下悬臂对称，质量块与固定装置分别和上悬臂固连，固定装置与质量块间的距离为L；所述的上悬臂包括：第一支撑层、第一下电极层、第一上电极层和第一PZT层，所述的下悬臂包括：第二支撑层、第二下电极层、第二上电极层和第二PTZ层，所述的支撑层包括：第一SiO2层、Si层和第二SiO2层。本发明提高了机电转换能力，能够从机械振动中采集获得更多的电能，且制备方法可控，提高了器件生产的成功率。

Description

压电悬臂梁振动能量采集器及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种微机电技术领域的装置及其制备方法，具体是一种压电悬臂梁振动能量采集器及其制备方法。
背景技术
能量采集技术是能够有效解决无线传感器件供能问题的关键技术，压电悬臂梁作为一种振动能量采集器件，具备结构简单、供能时间持久、无需更换等特点，尤其与微机电系统技术相结合可实现批量生产。环境中的机械振动导致悬臂梁结构中的压电层发生形变，在应力作用下，压电层由于压电效应而产生电信号，使器件实现机械能到电能的转换。电信号经过后续处理电路可为用电设备供能。
经过对现有技术的文献检索发现，J Ajitsaria等在《SMART MATERIALS AND STRUCTURES(智能材料与结构)》2007年第16期447-454页上发表的“Modeling and analysis of a bimorphpiezoelectric cantilever beam for voltage generation(双压电晶片悬臂梁电压发生器的建模与分析)”，提到了一种双压电层悬臂梁结构，具体是金属支撑层上下表面均附着压电层，当悬臂梁受到外部振动激励发生弯曲，两个压电层均会由于应力形变而产生电能。该设计相对单压电层的悬臂梁更大程度利用了应力形变，因而具备较大的输出，并且避免了悬臂梁复合结构应力中性层位置对于器件性能的影响，但结构中压电层与应力中性层的间距受到设计尺寸的限制，从而限制了压电层的形变量。
又经检索发现，Qinglong Zheng等在《SMART MATERIALS AND STRUCTURES(智能材料与结构)》2008年第17期上发表的“Asymmetric air-spaced cantilevers for vibration energyharvesting(非对称的有间隔的悬臂梁振动能量采集器)”，提出了一种压电悬臂梁结构，具体是将非对称的压电层与支撑层分离，悬臂梁的自由端连接质量块。该设计增加了悬臂梁结构压电层与应力中性层的间距，从而使压电层的形变量增大，提高了压电层的输出性能，但整个悬臂梁结构中只包括一个压电层，未能充分利用由振动引起的应力形变。
经检索还发现，方华斌于2007年1月在其上海交通大学博士学位论文《基于MEMS技术的压电能量采集器研究》中，提出了一种微能量采集器的MEMS制造工艺，具体包括压电薄膜的制备、压电悬臂梁结构的形成与质量块的制备。运用该工艺可生产制造复合结构的压电悬臂梁微能量采集器，但工艺步骤针对单压电层的悬臂梁结构，并且过程所包含的湿法刻蚀工艺控制难度较大，同时难以保证刻蚀后结构表面的平整度，从而影响器件生产的成功率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种压电悬臂梁振动能量采集器及其制备方法。本发明包括两个压电层，且增加了压电层和应力中性层的间距，从而提高了机电转换能力，能够从机械振动中采集获得更多的电能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及的压电悬臂梁振动能量采集器，包括：上悬臂、下悬臂、质量块和固定装置，其中：质量块位于下悬臂上的一端，固定装置固定在下悬臂上的另一端，上悬臂设置在质量块和固定装置上且与下悬臂对称，质量块与固定装置分别和上悬臂固连，固定装置与质量块间的距离为L。
所述的L的取值范围是2400微米到3000微米之间。
所述的质量块是长方体，高度范围是600微米到800微米之间，长度范围是600微米到800微米之间，宽度范围是500微米到600微米之间。
所述的固定装置是长方体，且固定装置与质量块大小一致。
所述的上悬臂包括：第一支撑层、第一下电极层、第一上电极层和第一PZT(压电陶瓷)层，其中：第一PTZ层粘贴在第一下电极层上，第一下电极层设置在第一支撑层上，第一上电极层设置在第一PZT层上。
所述的下悬臂包括：第二支撑层、第二下电极层、第二上电极层和第二PTZ层，其中：第二PTZ层粘贴在第二下电极层下，第二下电极层设置在第二支撑层上，第二上电极层设置在第二PZT层下。
所述的支撑层包括：第一SiO2层、Si层和第二SiO2层，其中：Si层设置在第一SiO2层和第二SiO2层之间。
所述的第一SiO2层的厚度范围是500纳米到600纳米之间。
所述的Si层的厚度范围是12微米到15微米之间。
所述的第二SiO2层的厚度范围是500纳米到600纳米之间。
所述的PTZ层的厚度范围是2微米到3微米之间。
所述的电极是钛铂电极，厚度范围是300纳米到400纳米之间。
本发明涉及的上述压电悬臂梁振动能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将SOI基片置于氧化炉中进行双面热氧化，生成SiO2氧化层，利用SOI基片中的SiO2层、Si层以及氧化形成的SiO2层构成SiO2-Si-SiO2支撑层。
(2)采用溅射方法，制备下电极。
(3)采用溶胶凝胶方法，制备PZT层。
(4)采用溅射方法，制备上电极。
(5)采用前面方法，得到上悬臂梁和下悬臂梁，且采用刻蚀方法，分别在上悬臂梁上制备半个质量块和半个固定装置，在下悬臂梁上对称的制备半个质量块与半个固定装置。
所述的刻蚀方法，包括以下步骤：对SOI(硅绝缘体)基片未溅射电极的SiO2氧化层表面光刻图形化，利用BHF进行湿法刻蚀形成窗口，去胶清洗，再以剩余的SiO2氧化层为掩膜进行DRIE刻蚀，直至露出SOI基片中间的SiO2层，最后用BHF湿法去除SiO2掩膜，DRIE(深反应离子刻蚀)刻蚀后留下的Si，一端作为固定装置，另一端作为质量块。
(6)将(5)得到的质量块和固定装置上分别电镀一层金膜，且将上悬臂上的半个质量块和下悬臂梁上的半个质量块通过Si-Au共晶键固连，上悬臂梁上的半个固定装置和下悬臂梁上的半个质量块Si-Au共晶键固连，得到能量采集器。
(7)对(6)得到的能量采集器进行尺寸切割，且在第一上电极和第一下电极间和第二上电极和第二下电极间分别施加电场，使PZT层的应力方向和施加的电场方向垂直。
本发明的工作原理：当器件处于外界振动激励下，悬臂梁的自由端(即有质量块的一端)产生位移，上悬臂和下悬臂同时发生形变，具备上电极和下电极第一PZT层与第二PZT层由于应力而产生电信号。通过电极引出导线形成电路，便可将所采集的电能运用于耗能器件之上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：既包括两个压电层，能够充分利用应力形变，又增加了悬臂梁结构中压电层与应力中性层的间距，增大了压电层的型变量，提高了压电层的输出性能，故具备较强的机电转换能力，即能够从机械振动中采集获得更多的电能。同时，本发明的制造工艺和现有的微能量采集器的MEMS(微机电系统)制造工艺相比，既可用于生产具备两个压电层、上下悬臂分离对称的，结构复杂的压电悬臂梁振动能量采集器，又通过改进现有技术，提高了制造过程的可控性，即提高了器件生产的成功率。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为实施例装置的制备流程图；
其中：(a)为制备得到的支撑层示意图；(b)为制备上电极、PZT层和下电极后的结构示意图；(c)是制备悬臂、半个质量块和半个固定装置后的结构示意图；(d)是得到的能量采集器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本实施例涉及的压电悬臂梁振动能量采集器，包括：上悬臂、下悬臂、质量块和固定装置，其中：质量块位于下悬臂上的一端，固定装置固定在下悬臂上的另一端，上悬臂设置在质量块和固定装置上且与下悬臂对称，质量块与固定装置分别和上悬臂固连，固定装置与质量块间的距离为2400微米。
所述的质量块是长方体，高度是600微米，长度是600微米，宽度是500微米。
所述的固定装置是长方体，高度是600微米，长度是600微米，宽度是500微米。
所述的上悬臂包括：第一支撑层、第一下电极层、第一上电极层和第一PZT层，其中：第一PTZ层粘贴在第一下电极层上，第一下电极层设置在第一支撑层上，第一上电极层设置在第一PZT层上。
所述的下悬臂包括：第二支撑层、第二下电极层、第二上电极层和第二PTZ层，其中：第二PTZ层粘贴在第二下电极层下，第二下电极层设置在第二支撑层上，第二上电极层设置在第二PZT层下。
所述的第一支撑层包括：第一SiO2层、第一Si层和第二SiO2层，其中：第一Si层设置在第一SiO2层和第二SiO2层之间。
所述的第二支撑层包括：第三SiO2层、第二Si层和第四SiO2层，其中：第二Si层设置在第三SiO2层和第四SiO2层之间。
本实施例中第一SiO2层、第二SiO2层、第三SiO2层和第四SiO2层的厚度都是500纳米，第一Si层和第二Si层的厚度都是12微米，第一PTZ层和第二PTZ层的厚度都是2微米，第一下电极层、第一上电极层、第二下电极层和第二上电极层都是钛铂电极且其厚度都是330纳米。
本实施例涉及的上述压电悬臂梁振动能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用氧化方法，制备支撑层。
所述的氧化方法，包括以下步骤：将SOI基片置于氧化炉中进行双面热氧化，生成SiO2氧化层，利用SOI基片中的SiO2层、Si层以及氧化形成的SiO2层构成SiO2-Si-SiO2支撑层。
本实施例选择Si层、SiO2层、Si层厚度分别为12微米、500纳米、300微米的SOI基片，利用氧化炉，在温度为1000℃、压强为1atm的条件下，将洁净的SOI基片置于掺有1％到3％Cl2气体(为了能够生成污染少的氧化层)的干O2气体中进行双面热氧化，持续100分钟，表面生成500纳米厚的SiO2氧化层，利用SOI基片中的SiO2层、12微米厚的Si层以及氧化形成的SiO2层构成SiO2-Si-SiO2支撑层。
本实施例制备得到的支撑层如图2(a)所示。
(2)采用溅射方法，制备下电极。
所述的溅射方法，包括以下步骤：首先在SiO2-Si-SiO2支撑层的部分SiO2氧化层表面溅射30nm厚的金属Ti，然后在Ti表面溅射300nm厚的Pt金属膜，形成下电极。
(3)采用溶胶凝胶方法，制备PZT层。
所述的溶胶凝胶方法，包括以下步骤：配制浓度为0.3摩/升的PZT溶胶，用旋涂法将PZT溶胶以3000转/分的速率、20秒的匀胶时间在底电极的表面沉积一层的薄膜，在300℃条件下预处理2分钟，重复涂膜、预处理的过程250次，对最终获得的多层无定型PZT膜进行650℃的热处理30分钟，使其迅速达到晶化温度，形成2微米厚的PZT层。
(4)采用溅射方法，制备上电极。
所述的溅射方法，包括以下步骤：首先在PZT层表面溅射30nm厚的金属Ti，然后在Ti表面溅射300nm厚的Pt金属膜，形成上电极。
本实施例制备的下电极、PZT层和上电极如图2(b)所示。
(5)采用前面方法，得到上悬臂梁和下悬臂梁，且采用刻蚀方法，分别在上悬臂梁上制备半个质量块和半个固定装置，在下悬臂梁上对称的制备半个质量块与半个固定装置。
所述的刻蚀方法，包括以下步骤：对SOI基片未溅射电极的SiO2氧化层表面光刻图形化，用夹具夹住后在45℃的BHF刻蚀液中进行20分钟的水浴，进行湿法刻蚀，形成长、宽均为2400微米的窗口，然后对窗口进行DRIE刻蚀，直至露出SOI基片中间的SiO2层，刻蚀深度约为300微米，最后去胶清洗，再用BHF刻蚀液湿法去除残余的SiO2掩膜，DRIE刻蚀后留下的Si，一端作为固定装置，另一端作为质量块。
本实施例制备质量块和固定装置如图2(c)所示。
(6)将(5)得到的质量块和固定装置上分别电镀一层1微米厚的金膜，且将上悬臂上的半个质量块和下悬臂梁上的半个质量块在0.8MPa、500℃的条件下通过Si-Au共晶键固连，上悬臂梁上的半个固定装置和下悬臂梁上的半个质量块Si-Au共晶键固连，得到能量采集器。
本实施例制备的能量采集器如图2(d)所示。
(7)对(6)得到的能量采集器进行尺寸切割，且在第一上电极和第一下电极间和第二上电极和第二下电极间施加电场，使PZT层的应力方向和施加的电场方向垂直。
本实施例在光刻图像化窗口的范围(即2400×2400平方微米)内，切割形成四个器件，使有质量块的一端成为自由端，器件整体长3600微米、宽500微米、厚度为634微米，其中：质量块和固定装置的尺寸均是：长600微米、宽500微米、厚600微米。
本实施例在第一上电极和第一下电极间和第二上电极和第二下电极间均施加3000伏/厘米的电场，且持续10分钟，从而使第一PTZ层和第二PTZ层能够工作在d31模式，在该模式下，PZT层的应力方向与施加的电场方向垂直。
本实施例制造的单个压电悬臂梁振动能量采集器的结构尺寸为3600微米×500微米×634微米。当外界振动的频率为4.5×104赫兹(本实施例器件的谐振频率)、加速度为2g时，本实施例的压电悬臂梁能量采集器中，单个PZT层输出的交流峰峰值为0.0117伏，而具有与本实施例器件相同谐振频率的、单悬臂梁结构的器件，在相同条件下，其中单个PZT层输出的交流峰峰值为0.0092伏，因此本实施例器件的输出性能相对有明显提高。并且，本实施例基于MEMS工艺的加工方法，非常适合于集成制作不同规模的微压电悬臂梁振动能量采集器阵列。

Claims (10)

1.一种压电悬臂梁振动能量采集器，包括：上悬臂、下悬臂、质量块和固定装置，其特征在于，质量块位于下悬臂上的一端，固定装置固定在下悬臂上的另一端，上悬臂设置在质量块和固定装置上且与下悬臂对称，质量块与固定装置分别和上悬臂固连，固定装置与质量块间的距离为L；
所述的上悬臂包括：第一支撑层、第一下电极层、第一上电极层和第一PZT层，其中：第一PTZ层粘贴在第一下电极层上，第一下电极层设置在第一支撑层上，第一上电极层设置在第一PZT层上；
所述的下悬臂包括：第二支撑层、第二下电极层、第二上电极层和第二PTZ层，其中：第二PTZ层粘贴在第二下电极层下，第二下电极层设置在第二支撑层上，第二上电极层设置在第二PZT层下；
所述的支撑层包括：第一SiO2层、Si层和第二SiO2层，其中：Si层设置在第一SiO2层和第二SiO2层之间。
2.根据权利要求1所述的压电悬臂梁振动能量采集器，其特征是，所述的L的取值范围是2400微米到3000微米之间。
3.根据权利要求1所述的压电悬臂梁振动能量采集器，其特征是，所述的质量块是长方体，高度范围是600微米到800微米之间，长度范围是600微米到800微米之间，宽度范围是500微米到600微米之间。
4.根据权利要求3所述的压电悬臂梁振动能量采集器，其特征是，所述的固定装置的形状和大小与质量块的形状和大小一致。
5.根据权利要求1所述的压电悬臂梁振动能量采集器，其特征是，所述的SiO2层的厚度范围是500纳米到600纳米之间。
6.根据权利要求1所述的压电悬臂梁振动能量采集器，其特征是，所述的Si层的厚度范围是12微米到15微米之间。
7.根据权利要求1所述的压电悬臂梁振动能量采集器，其特征是，所述的PTZ层的厚度范围是2微米到3微米之间。
8.根据权利要求1所述的压电悬臂梁振动能量采集器，其特征是，所述的电极是钛铂电极，厚度范围是300纳米到400纳米之间。
9.一种根据权利要求1所述的压电悬臂梁振动能量采集器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将SOI基片置于氧化炉中进行双面热氧化，生成SiO2氧化层，利用SOI基片中的SiO2层、Si层以及氧化形成的SiO2层构成SiO2-Si-SiO2支撑层；
(2)采用溅射方法，制备下电极；
(3)采用溶胶凝胶方法，制备PZT层；
(4)采用溅射方法，制备上电极；
(5)采用前面方法，得到上悬臂梁和下悬臂梁，且采用刻蚀方法，分别在上悬臂梁上制备半个质量块和半个固定装置，在下悬臂梁上对称的制备半个质量块与半个固定装置；
(6)将(5)得到的质量块和固定装置上分别电镀一层金膜，且将上悬臂上的半个质量块和下悬臂梁上的半个质量块通过Si-Au共晶键固连，上悬臂梁上的半个固定装置和下悬臂梁上的半个质量块Si-Au共晶键固连，得到能量采集器；
(7)对(6)得到的能量采集器进行尺寸切割，且在第一上电极和第一下电极间和第二上电极和第二下电极间施加电场，使PZT层的应力方向和施加的电场方向垂直。
10.根据权利要求9所述的压电悬臂梁振动能量采集器的制备方法，其特征是，所述的刻蚀方法，包括以下步骤：对SOI基片未溅射电极的SiO2氧化层表面光刻图形化，利用BHF进行湿法刻蚀形成窗口，去胶清洗，再以剩余的SiO2氧化层为掩膜进行DRIE刻蚀，直至露出SOI基片中间的SiO2层，最后用BHF湿法去除SiO2掩膜，DRIE刻蚀后留下的Si，一端作为固定装置，另一端作为质量块。
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