CN102176637A

CN102176637A - 一种微型电磁式振动能量采集器及其制作方法

Info

Publication number: CN102176637A
Application number: CN 201110027379
Authority: CN
Inventors: 李伟; 车录锋; 王鹏; 王跃林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2031-01-25
Also published as: CN102176637B

Abstract

本发明涉及一种微型电磁式振动能量采集器及其制作方法。所述的电磁式振动能量采集器由中心质量块、外部支撑框架、二根折叠弹性梁、平面螺旋线圈、两块永磁体、上盖板及衬底等组成。所述的电磁式振动能量采集器利用体硅微机械加工技术的方法制作振动结构(包括中心质量块和折叠弹性梁)，利用表面微机械加工技术的方法制作平面螺旋线圈，平面螺旋线圈制作在中心质量块的上表面上，两块永磁体并列位于平面螺旋线圈的正上方。本发明的能量采集器可在较低的频率范围内工作，将环境中振动的机械能转化为电能，用于解决无线传感网络或微纳器件等依赖电池供电的问题，该能量采集器具有体积小、制作方法简单、易于批量制造等优点，应用前景广阔。

Description

一种微型电磁式振动能量采集器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种用于采集环境中振动能量的微型电磁式振动能量采集器及其制作方法，采用体硅和表面微机械相结合的微细加工方法制备能量采集器，属于微电子机械系统领域。

背景技术

微纳技术的发展，极大地推动了大量新型微纳器件与系统的出现，同时也很大程度上推动了微型无线传感网络和通讯节点的发展，但是，不管是无线传感产品还是微纳器件，它们的体积不断减小、功耗逐渐降低，供电问题正成为它们发展的一个障碍，目前使用的化学能电池、充电电池或燃料电池等作为电能源，尽管其物质转换为电能的效率比较高，但依靠电池供电总会存在有寿命短、容量有限、更换或重新充电的问题，不能满足系统长期工作的需要。因此，研究一种在理论上可以无限期使用的微型发电机系统将外界环境的能量转换为电能的微能源，一直是人们期待解决的重要课题。

随着微系统功耗逐渐降低，利用环境振动能为其提供能量将成为一种新型的能源形式，振动能是一种普遍存在的能源，广泛存在于各种生产和生活设备中，将环境中的机械振动能转换成电能的能量采集器主要有三种：静电式能量采集器、压电式能量采集器和电磁式能量采集器。静电式能量采集器易于与微系统集成，但它并不是自供应电能的，它开始工作时还需要外接电源进行极板驱动以实现相应功能；压电式能量采集器具有有高的输出电压，但其制作工艺很难与微机械加工技术兼容。电磁式能量采集器的结构简单、工作原理也不复杂，不像静电式那样需要外接电源，它完全是自供应能量的，而且在大多数情况下可以用微机械加工技术进行加工。

现有报道的电磁式能量采集器由于加工技术多采用组装式工艺或粘连手段，器件体积、效率、与传感器的集成等方面还有较大不足，如Peihong Wang等人在“A micro electromagnetic low level vibration energy harvester based on MEMS technology”(Microsystem technologies，2009，Vol.15，941～951)文章中报道了一种电磁式能量采集器，该能量采集器是由平面弹簧、永磁体、衬底上的微线圈和支撑结构组成，其中，永磁体和平面弹簧中央的金属平台相粘合固定是一个难点，并且永磁体不能精确定位。另外，支撑结构和衬底的组装也是一个难点。E.Koukharenko等人在“ Microelectromechanical systems vibration powered electromagnetic generator for wireless sensor appl

依上所述，现有技术报道的电磁式能量采集器存在体积偏大、制作精度差、稳定性不好等缺点，另外，环境中存在的机械振动多数为低频的振动，为克服这些缺点并力求达到实际的应用，本发明拟提出一种基于硅材料的低频的微型电磁式振动能量采集器，该能量采集器具有体积小、制作方法简单、易于批量制造、稳定性好等优点，应用前景广阔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型电磁式振动能量采集器及其制作方法，它是一种可以采用体硅和表面微机械相结合的微细加工方法制备能量采集器。

本发明提供的一种微型电磁式能量采集器，包括中心质量块、外部支撑框架、二根折叠弹性梁、平面螺旋线圈、两块永磁体、上盖板及衬底等，其特征在于：

(1)平面螺旋线圈制作在中心质量块的上表面上，两块永磁体并列位于上盖板的上表面的凹坑内，并且磁极方向相反，凹坑位于平面螺旋线圈的正上方；

(2)中心质量块和两根折叠弹性梁组成振动结构，带动在中心质量块上表面的平面螺旋线圈在水平方向运动；

(3)两根折叠弹性梁分布在中心质量块的两侧，并且每根折叠弹性梁的一端连接在中心质量块侧面的中间，另一端连接在外部支撑框架内侧面的中间；

(4)电极位于外部支撑框架的上表面上，通过位于折叠弹性梁上的电极引线与平面螺旋线圈相连。

所述的平面螺旋线圈为圆形或方形的单层或多层平面螺旋金属铜线圈；

所述的两块永磁体的形状均为长方体；

所述的两根折叠弹性梁的形状、尺寸分别一致。

本发明提出的一种微型电磁式振动能量采集器，是利用体硅和表面微机械技术相结合，通过如下步骤的制作方法制作出来的：

(1)振动结构硅片通过氧化、光刻、腐蚀等工艺形成振动结构的下运动间隙，去除氧化层；

(2)振动结构硅片通过氧化、光刻、腐蚀等工艺，在下运动间隙内形成深坑结构及中心质量块结构图形，腐蚀的深度由硅片的厚度和折叠弹性梁的厚度决定，去除下表面的氧化层；

(3)振动结构硅片的下表面和衬底硅片的上表面预键合，预键合完成后再进行整体的退火工艺；

(4)在振动结构硅片上表面的氧化层绝缘材料表面溅射第一层铜种子层；

(5)在铜种子层上涂胶、光刻、电镀形成平面螺旋线圈的两个电极及两个电极引线，去胶，去种子层；

(6)等离子体增强化学气相沉积(PECVD)二氧化硅，光刻、腐蚀出两个电极窗口以及两个电极引线与平面螺旋线圈相连接的窗口；

(7)溅射第二层铜种子层，涂胶，光刻，电镀形成平面螺旋线圈，去胶，去种子层；

(8)在振动结构硅片的上表面涂胶、光刻，通过干法刻蚀释放折叠弹性梁及中心质量块结构，去胶；

(9)上盖板硅片氧化后，在其上表面通过光刻、腐蚀等工艺形成用于放永磁体的凹坑，之后在其下表面通过光刻、腐蚀等工艺形成振动结构的上运动间隙；

(10)上盖板硅片的下表面与振动结构硅片的上表面对准并固定，两块永磁体放入上盖板硅片上表面的凹坑内并固定。

所述的振动结构的上、下运动间隙均在3～20μm之间。

所述的折叠弹性梁的厚度可根据需要灵活选择，并且决定腐蚀的深度。

所述的折叠梁及中心质量块结构是采用硅硅键合技术，振动结构硅片下表面与衬底硅片上表面直接键合，之后通过干法刻蚀的方法释放得到的。

所述的平面螺旋线圈采用厚光刻胶及电镀技术制作，平面螺旋线圈的厚度在10～40μm之间。

总之，本发明提供了一种微型电磁式振动能量采集器，所述的能量采集器由中心质量块、外部支撑框架、二根折叠弹性梁、平面螺旋线圈、两块永磁体、上盖板及衬底等组成。钕铁硼磁性材料，由于其具有极高的磁能积和矫顽力，同时具有高的能量密度，因此，选用钕铁硼磁性材料为永磁体材料。平面螺旋线圈制作在中心质量块的上表面上，永磁体位于平面螺旋线圈的正上方，中心质量块和两根折叠弹性梁作为振动结构，当外界环境存在振动时，振动结构产生受迫振动，带动在中心质量块上表面的平面螺旋线圈在水平方向上的运动，即中心质量块上面的平面螺旋线圈相对于永磁体水平振动，使线圈中的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，线圈中会产生感应电动势和感应电流。当外界的振动频率和振动结构的固有频率相等时，系统发生共振，振动结构相对于永磁体的位移最大，此时产生最大的感应电动势和感应电流。所述的电磁式能量采集器采用体硅和表面微机械加工相结合的微细加工方法，利用体硅微机械加工技术的方法制作振动结构(包括中心质量块和折叠弹性梁)，首先采用硅硅键合技术，振动结构硅片下表面与衬底硅片上表面直接键合，之后通过干法刻蚀的方法释放折叠弹性梁结构，利用表面微机械加工技术的方法制作平面螺旋线圈。

本发明提出的能量采集器的振动结构由中心质量块和折叠弹性梁组成，振动结构采用硅基材料，具有足够的强度，确保振动过程中不会发生塑性变形，重复性及可靠性更好，振动结构在水平方向振动，可以减小中心质量块振动时受到的空气阻尼，增大振动结构的振动幅度，另外，在一定范围内可以增加永磁体的体积，从而提高输出性能。在制作方法上，本发明提出的能量采集器结构避免了将永磁体粘贴在平台或薄膜上作为质量块的传统方法。振动结构的固有频率在制作时可以根据需要，设计不同的梁长度、梁宽度、梁厚度，中心质量块的大小也可以根据需求灵活选择，使能量采集器的灵活性更大。所述的能量采集器可在较低的频率范围内工作，通过电磁感应，将环境中振动的机械能转化为电能，用于解决无线传感网络或微纳器件等依赖电池供电的问题，该能量采集器具有体积小、制作方法简单、易于批量制造等优点，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明提出的一种微型电磁式振动能量采集器俯视图(无上盖板及永磁体)。

图2是本发明提出的一种微型电磁式振动能量采集器剖面图。

图3是实施例的能量采集器制作工艺流程。其中，图3(a)为振动结构下运动间隙的制作，图3(b)为深坑结构及中心质量块结构图形的制作；图3(c)为上盖板硅片和振动结构硅片的键合；图3(d)绝缘层材料及电镀种子层材料的制作；图3(e)为电极引线的制作；图3(f)为电极引线窗口的制作；图3(g)为平面螺旋线圈的制作；图3(h)为折叠弹性梁及中心质量块的制作；图3(i)为上盖板硅片上运动间隙及凹坑的制作；图3(j)为上盖板硅片与振动结构硅片的固定及永磁体的固定。

图中各数字代表的含义为：1、外部支撑框架，2、平面螺旋线圈，3、中心质量块，4、折叠弹性梁，5、电极，6、永磁体，7、二氧化硅绝缘层，8、第一层铜种子层，9、电极引线，10、二氧化硅绝缘掩模，11、第二层铜种子层，12、下运动间隙，13上运动间隙，14、上盖板硅片，15、振动结构硅片，16、衬底硅片，17、电极窗口，18、电极引线与平面螺旋线圈相连接窗口。

具体实施方式

以下实施例阐述本发明涉及的一种微型能量采集器及其制作方法的实质性特点和显著进步，但本发明决非仅限于介绍的实施例。

实施例

本发明的实施例涉及能量采集器结构，结合附图1和2说明。

能量采集器结构俯视图(无上盖板和永磁体)如图1所示，主要包括外部支撑框架1、平面螺旋线圈2及电极5、中心质量块3、折叠弹性梁4。平面螺旋线圈2制作在中心质量块3的上表面上，中心质量块3通过两根折叠弹性梁4连接到外部支撑框架1上。能量采集器结构剖面图如图2所示，主要包括上盖板硅片14及两块永磁体6、振动结构硅片15、衬底硅片16。两块永磁体6并列放置在上盖板硅片14上表面的凹坑内，并且磁极方向相反，振动结构硅片15的下表面与衬底硅片16的上表面是通过硅硅键合工艺直接键合在一起。平面螺旋线圈2通过电极引线9连接到电极5上，平面螺旋线圈2及电极引线9之间通过二氧化硅绝缘掩模10实现绝缘及连通、两电极引线9与衬底硅片16之间通过二氧化硅绝缘层7实现绝缘。当外界环境存在振动时，振动结构产生水平方向的受迫振动，带动中心质量块上表面的平面螺旋线圈相对于永磁体在水平方向运动，使线圈中的磁通量发生变化，根据电磁感应原理，线圈中会产生感应电动势和感应电流。

本发明的实施例涉及能量采集器的制作方法，参考图3所示的工艺流程图进行说明，主要包括以下工艺步骤：

(1)振动结构硅片15通过氧化、光刻、腐蚀等工艺形成振动结构下运动间隙，下运动间隙为3～20μm，去除氧化层，如图3(a)所示；

(2)如图3(b)所示，振动结构硅片15通过氧化、光刻、腐蚀等工艺，在下运动间隙内形成深坑结构及中心质量块结构图形，腐蚀的深度由硅片的厚度和折叠弹性梁的厚度决定，去除下表面的氧化层；

(3)如图3(c)所示，由步骤(2)形成的振动结构硅片15的下表面和衬底硅片16的上表面进行硅硅预键合，硅硅预键合温度为400～500℃，压力为2～3Kg，预键合后进行退火工艺，退火温度为900～1100℃，时间为1小时，退火过程中通入氧气或氮气；

(4)如图3(d)所示，在振动结构硅片上表面的氧化层绝缘材料表面溅射第一层铜种子层8，厚度为

(5)如图3(e)所示，在铜种子层8上涂胶、光刻、电镀形成平面螺旋线圈的两个电极及两个电极引线，电极及电极引线厚度为1～5μm，去胶，去种子层；

(6)如图3(f)所示，步骤(5)制作完成两电极引线9后，使用PECVD方法沉积二氧化硅，厚度为光刻、腐蚀出两个电极窗口17和两个电极引线与平面螺旋线圈相连接窗口18，并形成二氧化硅绝缘掩模；

(7)如图3(g)所示，在二氧化硅绝缘掩模表面溅射第二层铜种子层11，厚度为涂胶，光刻，电镀形成平面螺旋线圈，线圈的厚度为10～40μm，去胶，去种子层；

(8)如图3(h)所示，在振动结构硅片的上表面涂胶、光刻，通过干法刻蚀释放折叠弹性梁及中心质量块结构并去胶；

(9)如图3(i)所示，上盖板硅片14氧化后，在其上表面通过光刻、腐蚀等工艺形成用于放永磁体的凹坑，之后在其下表面通过光刻、腐蚀等工艺形成振动结构上运动间隙，上运动间隙为3～20μm，凹坑与上运动间隙之间的硅片厚度为50～150μm，凹坑的深度由硅片的厚度决定；

(10)如图3(j)所示，上盖板硅片下表面与振动结构硅片上表面对准并固定，两块永磁体放入上盖板硅片的上表面的凹坑内并固定。

Claims

1.一种微型电磁式振动能量采集器，其特征在于包括中心质量块、外部支撑框架、二根折叠弹性梁、平面螺旋线圈、两块永磁体、上盖板和衬底，

其中，(1)平面螺旋线圈制作在中心质量块的上表面上，两块永磁体并列位于上盖板的上表面的凹坑内，并且磁极方向相反，凹坑位于平面螺旋线圈的正上方；

2.根据权利要求1所述的能量采集器，其特征在于平面螺旋线圈为圆形或方形的单层或多层平面螺旋金属铜线圈；

3.根据权利要求1所述的能量采集器，其特征在于两块永磁体的形状均为长方体。

4.根据权利要求1所述的能量采集器，其特征在于两根折叠弹性梁的形状、尺寸分别一致。

5.制作如权利要求1所述的能量采集器的方法，其特征在于包括振动结构硅片下表面与衬底硅片上表面的硅硅键合，再通过干法刻蚀释放折叠弹性梁结构，利用表面微机械加工技术制作平面螺旋线圈，具体包括如下步骤：

(1)振动结构硅片通过氧化、光刻、腐蚀工艺形成振动结构的下运动间隙，去除氧化层；

(2)振动结构硅片通过氧化、光刻、腐蚀工艺，在下运动间隙内形成深坑结构及中心质量块结构图形，腐蚀的深度由硅片的厚度和折叠弹性梁的厚度决定，去除下表面的氧化层；

(6)等离子体增强化学气相沉积二氧化硅，光刻、腐蚀出两个电极窗口以及两个电极引线与平面螺旋线圈相连接的窗口；

6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于振动结构的上、下运动间隙均在3～20μm之间。

7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于折叠弹性梁的厚度根据需要灵活选择，并且决定腐蚀的深度。

8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于步骤(7)所述的采用涂胶和电镀技术制作的平面螺旋线圈的厚度在10～40μm之间。

9.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：

a)步骤(3)所述的硅硅预键合温度为400-500℃，压力为2-3kg；预键合后退火温度为900-1100℃，退火时间为1小时，气氛为氧气或氮气；

b)步骤(4)和步骤(7)所述的第一层铜种子层和第二层铜种子层的厚度为

c)步骤(9)所述的凹坑与上运动间隙之间的硅片厚度为50-150μm，凹坑的深度由硅片的厚度决定。

10.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于平面螺旋线圈与电极引线之间通过二氧化硅绝缘掩模实现绝缘及连通，两电极引线与衬底硅片之间通过二氧化硅绝缘层实现绝缘。