CN102544349A - 基于pmnt压电单晶的mems宽频振动能量采集器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于PMNT压电单晶的MEMS宽频振动能量采集器，是一种将弯曲振动机械能转换为电能的压电器件，包括：硅固定基座、支撑层、PMNT压电薄膜层和质量块，其中，硅固定基座、支撑层、PMNT压电薄膜层依次贴合形成多层结构，所述多层结构的一端悬空，所述质量块固定在所述多层结构的自由端上。本发明采用压电性能较好的PMNT单晶作为压电材料，并用键合和减薄方法制备高性能的PMNT压电薄膜，能够有效地提高器件的输出特性，从而提高转换效率；同时，采用固定在悬臂梁端部的装满液体的微容器，可实时有效地改变器件在振动环境下的固有频率，使其更有效地匹配环境的振动频率，从而使器件在较宽频率范围的振动环境中获得稳定的输出。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种能源技术领域的器件，具体是一种基于PMNT压电单晶的MEMS宽频能量采集器及制备方法。
背景技术
随着无线传感网络、各类植入式传感器等研究的不断深入，对其供电电源提出新的要求和挑战。微型压电式振动能量采集器，作为一种无需更换、无人看管的新型自我维持微能源，由于可以把器件所处的环境振动通过压电效应转换为电能而为各种低功耗微型电子器件供电，正受到学术界和产业界越来越多的关注。
目前，采用MEMS技术制备的压电能量采集器，大部分是在硅材料基底沉积制备一层PZT薄膜以及作为电极的金属材料复合而成的多层悬臂梁结构。但比较成熟的PZT薄膜制备技术，比如sol-gel法，制备的厚度被限制在2μm以内，这将限制器件的输出性能。如何提高MEMS能量采集器的输出性能以使其能够满足实际应用一直是科研人员追求的目标。
新型压电单晶材料PMNT(xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)PbTiO3)，其压电性能比传统的PZT压电陶瓷高出10倍，由于具有优异的压电性能，使得它可以替代传统的压电陶瓷，在声探测、超声成像、高应变驱动器、能量采集等转换器件上得到广泛应用。
另外，MEMS技术研制的压电能量采集器的输出功率与外部环境振动频率密切相关，当压电能量采集器的固有频率与外部环境振动频率相同时，发生共振现象并得到最大输出功率，但是，当压电能量采集器的固有频率偏离外部振动频率时，输出的功率将不断减少。因此，在宽频范围内的能量采集技术是当前MEMS能量采集技术领域的一大热点和难题。
经对现有技术文献的检索发现，Chengliang Sun，Lifeng Qin等在《Journalof Intelligent Material Systems and Structures》20(2009)撰文“PiezoelectricEnergy Harvesting using Single Crystal Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)Device”(“采用PMN-PT制备的压电能量采集器”《智能材料与结构期刊》)。该文中提及到的MEMS压电能量采集器，是采用压电性能较好的PMN-PT单晶材料代替传统的PZT陶瓷材料制备的悬臂梁宏观器件，这种形式虽可获得较大的输出功率，但器件较大且未解决宽频问题，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，提出一种基于PMNT压电单晶的MEMS宽频振动能量采集器及制备方法，使压电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、工作频带窄等问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于PMNT压电单晶的宽频能量采集器，是一种将弯曲振动机械能转换为电能的压电器件，包括：硅固定基座、支撑层、PMNT压电薄膜层以及质量块，其中，所述硅固定基座、支撑层、PMNT压电薄膜层依次贴合形成多层结构，所述多层结构的一端悬空，所述质量块固定在所述多层结构的自由端上。
所述的支撑层为柔性较好的碳纤维或玻璃纤维薄膜。
所述的支撑层与硅固定基座是通过环氧树脂结合。
所述的PMNT压电薄膜层，其表面覆盖电极层。
所述的电极层为Cr、Ni、CrAu合金或TiPt合金制成。
所述的PMNT压电薄膜层，是在支撑层上先通过导电环氧树脂键合PMNT压电单晶，再减薄PMNT制成。
所述的质量块为装满液体的容器。
所述的容器是指采用MEMS方法制备的空心容器。
所述的液体为室温下液体的金属如水银、铟镓。
本发明涉及的上述基于PMNT压电单晶的宽频MEMS能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
第一步，将支撑层粘接于硅固定基座上；
所述的支撑层粘接于硅固定基座上，具体是：将支撑层通过环氧树脂粘接在硅固定基座上，其中，硅固定基座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，在支撑层上通过键合和减薄方法制备PMNT压电薄膜；
所述的制备PMNT压电薄膜方法，具体是：在制备的硅基支撑层上，将单面抛光的体材PMNT压电材料，通过导电环氧树脂粘贴在支撑层上，然后通过化学机械研磨抛光方法将PMNT压电片厚度减薄至所需的厚度，如5μm-30μm。
第三步，在PMNT压电薄膜表面上制备电极；
所述的制备电极方法，是指采用liftoff方法或先溅射后采用离子铣刻蚀图形化电极。
第四步，制备质量块；
所述的制备质量块方法，具体是：采用SU8胶，通过光刻、显影等MEMS工艺制备空心容器，并在容器中注入液态金属。
第五步，采用切片机切割图形化PMNT压电薄膜；
所述的切片机切割PMNT压电薄膜，可指根据需要，切成不同形状。
第六步，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、XeF2干法刻蚀或DRIE等。
第七步，焊接电导线，极化压电片。
所述PMNT压电片电极极化，是沿厚度方向。
与现有技术相比，本发明采用压电性能较好的PMNT单晶作为压电材料，并用键合和减薄方法制备高性能的PMNT压电薄膜，其厚度可控制在所要求的范围内，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，器件结构采用的质量块是盛满液体的容器，使其在振动环境下，能有效地改变悬臂梁的等效质量，从而可改变器件的固有频率而与环境频率匹配。因此，制备的器件可在较宽的环境振动频率范围内输出较大稳定的功率。
附图说明
图1是实施例一的结构示意图。
图2是实施例二的结构示意图。
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。
实施例一：如图1所示，本实施例压电能量采集器包括硅固定基座、支撑层、PMNT压电薄膜层和质量块，其中：1-SiO2层，2-Si层，3-环氧树脂层，4-支撑层，5-导电环氧树脂层，6-PMNT压电薄膜层，7-液体，8-电极层，9-容器。
所述的硅固定基座，是由Si层2和其上的氧化物SiO2层1组成；
所述的质量块，是由液体层7和容器9组成；
所述的液体层7，是指液体水银；
所述的容器9，是指SU8胶工艺制备的方形容器。
所述的支撑层4，是指厚度为15μm的碳纤维；
所述的压电薄膜6，是指厚度为10μm的PMNT压电薄膜层；
所述的电极层8是Cr/Au合金，其厚度为0.20μm。
本实施例通过以下步骤进行制备：
第一步，将碳纤维支撑层4粘接在硅固定基座上；
所述的粘接方法，具体是：将厚度为15μm的碳纤维支撑层4通过环氧树脂3键合在厚度为500μm的双面抛光氧化的硅基片上，然后在贴合的硅片/碳纤维上施加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。
第二步，在支撑层4上通过键合和减薄方法制备PMNT压电薄膜6；
所述的键合方法，具体是：在制备的硅基碳纤维支撑层4上，将单面抛光的体材PMNT压电材料，通过导电环氧树脂5键合在碳纤维支撑层4上。
所述的减薄方法，具体是：将与硅片键合好的厚度为500μm的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0.5μm的金刚石抛光膏进行抛光，减薄后的PMNT厚度为10μm。
第三步，在PMNT压电薄膜表面上制备电极8；
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15μm，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0.20μm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。
第四步，使用SU8胶等工艺制备微容器9，并注入水银7密封制作质量块；
所述的SU8胶工艺制备微容器的技术，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。
第五步，采用切片机切割图形化已制备的硅/碳纤维/PMNT薄膜等多层结构；
所述的切片机切割图形化多层结构，是指切割成多个矩形，切片机中切片刀厚度为300μm，且切削深度为50μm左右。
第六步，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，采用湿法刻蚀SiO2，在正胶的掩蔽作用下，光刻图形处SiO2将被HF酸腐蚀；腐蚀SiO2后，采用KOH溶液湿法刻蚀硅，刻蚀至20μm厚的硅膜时停止刻蚀；最后，采用XeF2干法刻蚀硅，使压电能量采集器一端固定，另一端悬空。
第七步，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20V，保持15分钟。
实施例二：如图2所示，本实施例压电能量采集器包括硅固定基座、支撑层、PMNT压电薄膜层和质量块，其中：1-SiO2层，2-Si层，3-环氧树脂层，4-支撑层，5-导电环氧树脂层，6-PMNT压电薄膜层，7-液体，8-电极层，9-容器。
所述的硅固定基座，是由Si层2和其上的氧化物SiO2层1组成；
所述的质量块，是由液体层7和容器9组成；
所述的液体层7，是指液体水银；
所述的容器9，是指SU8胶工艺制备的方形容器。
所述的支撑层4，是指厚度为20μm的玻璃纤维；
所述的压电薄膜6，是指厚度为15μm的PMNT压电薄膜层；
所述的电极层8是Ti/Pt合金，其厚度为0.15μm。
本实施例通过以下步骤进行制备：
第一步，将玻璃纤维支撑层4粘接在硅固定基座上，并在其上表面溅射一层电极8；
所述的粘接方法，具体是：将厚度为20μm的玻璃纤维支撑层4通过环氧树脂3键合在厚度为500μm的双面抛光氧化的硅基片上，然后在贴合的硅片/玻璃纤维上施加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。
第二步，在支撑层4上通过键合和减薄方法制备PMNT压电薄膜6；
所述的键合方法，具体是：在制备的硅基玻璃纤维支撑层4上，将单面抛光的体材PMNT压电材料，通过导电环氧树脂5键合在玻璃纤维支撑层4上。
所述的减薄方法，具体是：将与硅片键合好的厚度为500μm的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0.5μm的金刚石抛光膏进行抛光，减薄后的PMNT厚度为15μm。
第三步，在PMNT压电薄膜表面上制备电极8；
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15μm，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0.15μm的Ti/Pt层，最后使用丙酮将光刻胶去掉，实现liftoff工艺制备电极。
第四步，使用SU8胶等工艺制备微容器9，并注入水银7密封制作质量块；
所述的SU8胶工艺制备微容器的技术，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。
第五步，采用切片机切割图形化已制备的硅/玻璃纤维/PMNT薄膜等多层结构；
所述的切片机切割图形化多层结构，是指切割成多个矩形，切片机中切片刀厚度为200μm，且切削深度为45μm左右。
第六步，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，采用湿法刻蚀SiO2，在正胶的掩蔽作用下，光刻图形处SiO2将被HF酸腐蚀；腐蚀SiO2后，采用KOH溶液湿法刻蚀硅，刻蚀至15μm厚的硅膜时停止刻蚀；最后，采用DRIE干法刻蚀硅，使压电能量采集器一端固定，另一端悬空。
第七步，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20V，保持15分钟。
本发明采用压电性能较好的PMNT单晶作为压电材料，并用键合和减薄方法制备高性能的PMNT压电薄膜，能够有效地提高器件的输出特性，从而提高转换效率；同时，采用固定在悬臂梁端部的装满液体的微容器，可实时有效地改变器件在振动环境下的固有频率，使其更有效地匹配环境的振动频率，从而使器件在较宽频率范围的振动环境中获得稳定的输出。
Claims (8)
1.一种基于PMNT压电单晶的MEMS宽频振动能量采集器，其特征在于，包括：硅固定基座、支撑层、PMNT压电薄膜层和质量块，其中，所述硅固定基座、支撑层、PMNT压电薄膜层依次贴合形成多层结构，所述多层结构的一端悬空，所述的质量块固定在所述多层结构的自由端上。
2.根据权利要求1所述的基于PMNT压电单晶的MEMS宽频振动能量采集器，其特征在于，所述的支撑层为碳纤维或玻璃纤维薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于PMNT压电单晶的MEMS宽频振动能量采集器，其特征在于，所述的PMNT压电薄膜层，其表面覆盖电极层，其中，电极层为Cr、Ni、CrAu合金或TiPt合金制成。
4.根据权利要求1所述的基于PMNT压电单晶的MEMS宽频振动能量采集器，其特征在于，所述的PMNT压电薄膜层，是在支撑层上先通过导电环氧树脂键合PMNT压电单晶，再减薄PMNT制成。
5.根据权利要求1所述的基于PMNT压电单晶的MEMS宽频振动能量采集器，其特征在于，所述的质量块为装满液体的容器。
6.根据权利要求5所述的基于PMNT压电单晶的MEMS宽频振动能量采集器，其特征在于，所述的容器是指采用MEMS方法制备的空心容器。
7.根据权利要求5所述的基于PMNT压电单晶的MEMS宽频振动能量采集器，其特征在于，所述的液体为室温下液体金属。
8.一种根据上述任一权利要求所述的基于PMNT压电单晶的MEMS宽频振动能量采集器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，支撑层与硅固定基座的键合。
第二步，在支撑层上通过键合和减薄方法制备PMNT压电薄膜。
第三步，在PMNT压电薄膜表面上制备电极。
第四步，制备质量块。
第五步，采用切片机切割图形化PMNT压电薄膜。
第六步，使用微加工工艺制备压电能量采集器结构。
第七步，焊接电导线，极化压电片。
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