CN102332529A - 柔性基底的压电能量采集器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微机电系统技术领域的柔性基底的压电能量采集器及制备方法，该采集器包括：硅固定基座、聚对二甲苯基压电薄膜层和质量块，所述聚对二甲苯基压电薄膜层一端固定在硅固定基座上，另一端悬空并与质量块固定连接。聚对二甲苯基压电薄膜层由聚对二甲苯层及附于聚对二甲苯层上的压电薄膜层，压电薄膜层表面覆盖电极层。与现有的硅基MEMS压电能量采集器相比，其能有效提高器件的尖端位移，进而提高器件的输出特性，具有转换效率高等特点。该器件不但结构简单，制作容易，体积减小，并且它可运行于低频环境中，可有效地克服MEMS压电能量采集器输出功率较低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种能源技术领域的器件，具体是一种柔性基底的压电能量采集器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着无线传感器网络、嵌入式智能结构和可穿戴式健康监测等微系统器件及技术的迅速发展，对其供电电源提出新的要求和挑战，必须具有体积小、寿命长甚至无需更换、无人看管等特点。传统的化学电池供电方式因其容量有限、寿命短、体积大等缺点，已严重限制了上述系统的应用。目前，环境振动能量采集技术特别是压电式能量采集器是解决以上问题的有效方法之一。
压电振动能量采集器是基于正压电效应，当外力作用到压电元件上并引起材料变形，材料内部正、负束缚电荷之间的距离变小，其极化强度也变小，导致原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。目前，压电MEMS能量采集器多采用压电材料和基底材料以及作为电极的金属材料复合而成的多层悬臂梁结构，且大部分是在硅材料基底沉积一层PZT薄膜制备而成。制备的MEMS压电式振动能量收集器，还难以满足低功耗器件应用的需求。究其原因，一方面，采用成熟制备PZT薄膜的技术，比如sol-gel法，制备的厚度被限制在2
m以内，这将限制器件的输出性能；另一方面，和柔性材料相比，硅材料弹性常数很大，器件的位移在一定程度上受到限制。
经对现有技术文献的检索发现，Dongna Shen, Jung-Hyun Park等在《Journal of Micromechanics and Microengineering》18(2008)撰文“The design,fabrication and evaluation of a MEMS PZT cantilever with an integrated Si proof mass for vibration energy harvesting”（“用于振动能量采集的，带有集成Si质量块的MEMS式PZT悬臂梁的设计、制造及测试”《微机械与微工程期刊》）。该文中提及到的MEMS压电能量采集器，采用硅作为悬臂梁支撑部分，并采用Sol-Gel工艺在硅基底上制备PZT薄膜，厚度约1
m。因受薄膜厚度的限制，器件的输出性能不高。C.T. Pan, Z.H. Liu等人《Sensors and Actuators:Physical A》159 （2010）96-104撰文“Design and fabrication of flexible piezo-microgenerator by depositing ZnO thin films on PET substrates”（“ PET基ZnO薄膜的柔性压电微发电器的设计与制造”《传感器与执行器A》）。文中悬臂梁基底采用柔性PET材料，其能够增加器件在振动环境下的位移量，进而提高器件的输出，但该器件较大，实用性不强。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种柔性基底的压电能量采集器及制备方法，使换能元件在低频振动环境下获得较大的输出功率，以解决传统的MEMS压电能量采集器输出功率低问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及的柔性基底的压电能量采集器，是一种将弯曲振动机械能转换为微功率电能的压电器件，包括硅固定基座、聚对二甲苯（Parylene）基压电薄膜层和质量块，其中，聚对二甲苯基压电薄膜层一端固定在硅固定基座上，另一端悬空并与质量块固定连接。
所述的聚对二甲苯基压电薄膜层，包含聚对二甲苯层及附于聚对二甲苯层上的压电薄膜层，其中：压电薄膜层表面覆盖电极层。
所述的电极层为Cr、Ni、CrAu合金或TiPt合金制成。
所述的聚对二甲苯基压电薄膜层和质量块通过环氧树脂实现粘贴。
所述的压电薄膜材料为PZT陶瓷或PMNT压电单晶。
所述的质量块为镍金属块或钨金属块或硅质量块。
本发明涉及的柔性基底的压电能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
第一步，通过键合和减薄方法制备硅基压电薄膜。
所述的键合和减薄方法制备硅基压电薄膜，具体是：将体材压电材料单面抛光，通过环氧树脂粘贴在硅基片上，然后通过化学机械研磨抛光方法将压电片厚度减薄至所需的厚度，如5
m~100
m。
所述的硅基片是指双面抛光并且表面热氧化一层二氧化硅的硅片；
第二步，在硅基压电薄膜表面上制备电极。
所述的制备电极，是指采用liftoff方法或先溅射后采用离子铣刻蚀图形化电极。
第三步，沉积聚对二甲苯薄膜。
所述的聚对二甲苯薄膜，采用化学气相沉积方法；所述聚对二甲苯薄膜厚度可以根据需要设定，比如厚度为15-20
m。
第四步，使用微加工工艺制备压电能量采集器结构。
所述的微加工工艺包括光刻、显影、湿法二氧化硅刻蚀、湿法体硅加工、XeF
2
干法刻蚀等。
第五步，采用SU8胶工艺制备质量块，并使用胶粘贴方法使压电能量采集器的悬空端粘有一个质量块。
所述的SU8 胶工艺，是基于UV-LIGA（UltraViolet-Lithographie，Galanoformung，Abformung，紫外-光刻、电铸和注塑）技术，包括：光刻、显影和电铸。
第六步，焊接电导线，极化压电片。
与现有技术相比，本发明采用弹性较好的材料聚对二甲苯作为基底，其能够有效地增加器件尖端位移，且采用键合和减薄方法制备高性能压电薄膜，其厚度可控制在所要求的范围内，比如10-20
m，从而可使制备的能量采集器在低频环境下获得较高的输出特性，此外，该制备方法简单可靠，能与微加工工艺集成加工，在无线传感器网络节点的设计和制作中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图。
图2是实施例1的电极示意图。
图3为实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面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具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
如图1所示，本实施例压电能量采集器包括硅固定基座、压电薄膜、Parylene基底、质量块，其中：1—质量块，2—Parylene基底，3—电极层，4-压电薄膜层，5—粘贴胶层，6—SiO
2
层，7—Si层。
所述的硅固定基座，是由Si层7和其上的氧化物SiO2层6组成；
所述的压电薄膜4，是指PZT薄膜，厚度为10
m；
所述的Parylene基底薄膜2，厚度为15
m；
所述的质量块1是镍质量块；
所述的电极层3是Cr/Au合金，其厚度为0.20
m，间距为30
m的叉指电极，如图2所示。
本实施例涉及的上述Parylene基底的柔性压电MEMS能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
第一步，通过键合和减薄方法制备厚度为10
m的硅基压电PZT薄膜。
所述的键合方法，具体是：在双面抛光的硅片上丝网印刷涂环氧树脂E-7胶，然后将厚度为500
m单面抛光好的体材PZT粘贴于硅片上，在贴合的硅片/PZT上施加0.1Mpa的压力后放入真空烘箱进行加温固化。固化分为两个阶段，1、50℃温度下2小时；2、105℃温度下3小时。
所述的减薄方法，具体是：将与硅片键合好的厚500
mPZT，依次采用颗粒为W28、W14、W7的金刚砂进行研磨，最后采用粒度为0.5
m的金刚石抛光膏进行抛光，减薄后的PZT厚度为10
m。
第二步，采用liftoff方法在硅基压电薄膜表面上制备叉指电极。
所述的制备电极方法，具体是：先在制备好的压电薄膜上，甩正胶15
m，再通过光刻、显影技术图形化光刻胶。然后在图形化的光刻胶表面上溅射一层0.25
m的Cr/Au层，最后使用丙酮将光刻胶去掉，实现liftoff工艺制备电极。
第三步，沉积Parylene薄膜。
所述的Parylene薄膜，其厚度为15
m。
第四步，使用微加工工艺制备压电能量采集器结构。
所述的微加工工艺，具体是：通过光刻、显影等工艺，图形化压电陶瓷片，然后采用湿法刻蚀压电陶瓷以暴露电极，刻蚀液成分和质量比为（40%的NH
4
F:HF=1:5）BHF:HCl:H
2
O=1:25:74，刻蚀至露出下电极为止。接着通过光刻、显影工艺，图形化粘贴好压电叠堆片硅片的下表面，然后采用湿法刻蚀SiO
2
，在正胶的掩蔽作用下，光刻图形处SiO
2
将被HF酸腐蚀；腐蚀SiO
2
后，采用KOH溶液湿法刻蚀硅,刻蚀至10
m厚的硅膜时停止刻蚀；最后，采用XeF
2
干法刻蚀硅，使压电能量采集器一端固定，另一端悬空。
第五步，采用SU8胶工艺制备质量块，并使用胶粘贴方法使压电能量采集器的悬空端粘有一个质量块。
所述的SU8胶工艺是基于UV-LIGA技术，具体是：在洁净的硅片上溅射钛膜作为种子层，然后对钛膜进行氧化处理以改善基底与SU8 胶的结合力，在钛膜上以600 转/分钟的速度SU8-500 光刻胶30 秒，得到胶厚度约为500μm，光刻、显影得到矩形质量块空腔，接着电铸Ni质量块，电铸之前将SU8 胶模具在RIE（反应离子刻蚀机）机器中用离子轰击2-3 分钟，浸入镍电铸液中，连续电铸70h，最后去除SU8 胶，用稀释的HF 酸去除钛牺牲层，得到所需的镍金属块。
所述的胶粘贴方法，具体是：通过丝网印刷法将厚度小于2
m 的环氧树脂胶涂在镍金属块上，进而使镍金属块粘贴在压电双晶片的悬空端，随后将粘有镍金属块的压电双晶片在50℃温度下固化1小时，随后在100℃温度下固化3小时。
第六步，焊接电导线，极化压电片。
所述的极化压电片，具体是：在引出的电导线两端，加直流电压50V，保持15分钟。
实施例2：
如图3所示，本实施例压电能量采集器包括硅固定基座、压电薄膜、Parylene基底、质量块，其中：1—质量块，2—Parylene基底，3—电极层，4-压电薄膜层，5—粘贴胶层，6—SiO
2
层，7—Si层。
所述的硅固定基座，是由Si层7和其上的氧化物SiO
2
层6组成；
所述的压电薄膜4，是指压电电晶（PMNT）薄膜，厚度为12
m；
所述的Parylene基底薄膜2，厚度为18
m；
所述的质量块1是镍质量块；
所述的电极层3是Ti/Pt合金，其厚度为0.20
m，覆盖在压电薄膜4上、下表面的平面电极。
本实施例涉及的上述Parylene基底的柔性压电MEMS能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
第一步，通过键合和减薄方法制备厚度为12
m的硅基压电PMNT单晶薄膜。
所述的键合方法，具体是：先对PMNT单面抛光，硅片双面抛光，并在抛光面单面溅射电极层Ti/Pt,接着在溅射电极的硅片表面上丝网印刷涂导电环氧树脂胶，然后将单面溅射电极的体材PMNT压电单晶粘贴于硅片上，在贴合的硅片/PMNT上施加0.1Mpa的压力后放入真空烘箱进行加温固化。固化分为两个阶段，1、135℃温度下2小时；2、175℃温度下3小时。
所述的减薄方法，具体是：将与硅片键合好的厚500
m PMNT压电单晶，依次采用颗粒为W28、W14、W7的金刚砂进行研磨，最后采用粒度为0.5
m的金刚石抛光膏进行抛光，减薄后的PMNT厚度为12
m。
第二步，在硅基压电薄膜上表面制备上电极。
所述的制备电极方法，具体是：先在制备好的压电薄膜表面上溅射一层0.2
m的Ti/Pt层，再甩正胶15
m，通过光刻、显影技术图形化光刻胶。然后通过离子束刻蚀图形化上电极Ti/Pt。
第三步，沉积Parylene薄膜。
所述的Parylene薄膜，其厚度为18
m。
第四步，使用微加工工艺制备压电能量采集器结构。
所述的微加工工艺，具体是：通过光刻、显影等工艺，图形化压电陶瓷片，然后采用湿法刻蚀压电陶瓷以暴露电极，刻蚀液成分和质量比为（40%的NH
4
F:HF=1:5）BHF:HCl:H
2
O=1:25:74，刻蚀至露出下电极为止。接着通过光刻、显影工艺，图形化粘贴好压电叠堆片硅片的下表面，然后采用湿法刻蚀SiO
2
，在正胶的掩蔽作用下，光刻图形处SiO
2
将被HF酸腐蚀；腐蚀SiO
2
后，采用KOH溶液湿法刻蚀硅,刻蚀至10
m厚的硅膜时停止刻蚀；最后，采用XeF
2
干法刻蚀硅，使压电能量采集器一端固定，另一端悬空。
第五步，采用SU8胶工艺制备质量块，并使用胶粘贴方法使压电能量采集器的悬空端粘有一个质量块。
所述的SU8胶工艺是基于UV-LIGA技术，具体是：在洁净的硅片上溅射钛膜作为种子层，然后对钛膜进行氧化处理以改善基底与SU8 胶的结合力，在钛膜上以600 转/分钟的速度SU8-500 光刻胶30 秒，得到胶厚度约为500μm，光刻、显影得到矩形质量块空腔，接着电铸Ni质量块，电铸之前将SU8 胶模具在RIE（反应离子刻蚀机）机器中用离子轰击2-3 分钟，浸入镍电铸液中，连续电铸70h，最后去除SU8 胶，用稀释的HF 酸去除钛牺牲层，得到所需的镍金属块。
所述的胶粘贴方法，具体是：通过丝网印刷法将厚度小于2
m 的环氧树脂胶涂在镍金属块上，进而使镍金属块粘贴在压电双晶片的悬空端，随后将粘有镍金属块的压电双晶片在50℃温度下固化1小时，随后在100℃温度下固化3小时。
第六步，焊接电导线，极化压电片。
所述的极化压电片，具体是：在引出的电导线两端，加直流电压30V，保持15分钟。
本发明制备的Parylene基底的柔性压电MEMS能量采集器，能有效提高器件的尖端位移，进而提高器件的输出特性，从而提高转换效率；同时采用柔性衬底降低了器件的固有振动频率，更有效地匹配环境的低振动频率，可有效地提高输出功率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1. 一种柔性基底的压电能量采集器，其特征在于，包括：硅固定基座、聚对二甲苯基压电薄膜层和质量块，所述聚对二甲苯基压电薄膜层一端固定在硅固定基座上，另一端悬空并与质量块固定连接。
2.根据权利要求1所述的柔性基底的压电能量采集器，其特征是，所述的聚对二甲苯基压电薄膜层，由聚对二甲苯层及附于聚对二甲苯层上的压电薄膜层，其中：压电薄膜层表面覆盖电极层。
3.根据权利要求2所述的柔性基底的压电能量采集器，其特征是，所述的电极层为Cr、Ni、CrAu合金或TiPt合金制成。
4.根据权利要求1或2所述的柔性基底的压电能量采集器，其特征是，所述的聚对二甲苯基压电薄膜层和质量块具体通过环氧树脂实现粘贴。
5.根据权利要求1或2所述的柔性基底的压电能量采集器，其特征是，所述的压电薄膜层，其中压电薄膜材料为PZT陶瓷或PMNT压电单晶。
6.根据权利要求1所述的柔性基底的压电能量采集器，其特征是，所述的质量块为镍金属块或钨金属块或硅质量块。
7.一种根据权利要求1所述柔性基底的压电能量采集器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，通过键合和减薄方法制备硅基压电薄膜；
第二步，在硅基压电薄膜表面上制备电极；
第三步，沉积聚对二甲苯薄膜；
第四步，使用微加工工艺制备压电能量采集器结构；
第五步，采用SU8胶工艺制备质量块，使压电能量采集器的悬空端粘有一个质量块；
第六步，焊接电导线，极化压电片。
8.根据权利要求7所述的柔性基底的压电能量采集器的制备方法，其特征是，所述的键合和减薄方法制备硅基压电薄膜，具体是：将体材压电材料单面抛光，通过环氧树脂粘贴在硅基片上，然后通过化学机械研磨抛光方法将压电片厚度减薄至所需的厚度。
9.根据权利要求7所述的柔性基底的压电能量采集器的制备方法，其特征是，所述的制备电极，是指采用liftoff方法或先溅射后采用离子铣刻蚀图形化电极。
10.根据权利要求7所述的柔性基底的压电能量采集器的制备方法，其特征是，所述的聚对二甲苯薄膜采用化学气相沉积方法沉积。
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