CN102570902B - 一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器及制造方法，涉及一种能量收集装置。收集器设有芯片主体和芯片外部电路；主体为三层片状结构，主体设有上玻璃片器件、SOI片器件、下玻璃片器件、压电陶瓷片组、压电陶瓷片电极和可变电容极板电极。外部电路设有整流电路、滤波电容、第一开关、第二开关和能量储存电容；或设有整流电路、滤波电容、第一开关、第二开关、能量储存电容以及可变电容极板启动电源。制造方法如下：下玻璃片器件制作；SOI片器件制作；上玻璃片器件制作；装配；连接芯片外部电路。制备过程较简单、可克服传统的溶胶凝胶制备PZT所带来的器件稳定性和性能较差等缺点，同时可实现能量的宽频带和高效率收集。

Description

一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器及制造方法

技术领域

本发明涉及一种能量收集装置，尤其是涉及一种基于压电-静电复合式微机械振动能量收集器(芯片式)及其制造方法。

背景技术

随着传感网络功能的扩大，越来越多的微传感系统被置于特殊的环境下使用(比如海底、建筑墙体内部、人体内部、高山或海岛等无人值守的地方等)，这时常规电池的更换变得极为不便，甚至于不可能。因此，体积小、能量密度高、长寿命电源的缺乏，已成为制约微型传感系统实用化的“瓶颈”。为解决这一“瓶颈”问题，科研人员提出了“环境能量收集”的概念，即通过微型能量收集器收集大自然的环境能量(如光能、热能、电磁能，振动能等)并转换为电能存储在电池、电容等储能装置中以满足微器件及微系统的使用需求。环境中振动能量收集技术已经成为研究热点。

目前，振动能量采集技术主要集中于三种方式：电磁式、静电式(也称电容式)和压电式。从过去几年的研究基础来看，电磁式输出的电压较低且难与微电子工艺集成，而静电式和压电式输出电压较高且与微/纳制造工艺相兼容，因此是振动换能的理想方式。静电式能量收集器制造工艺([1]李林.MEMS关于振动能量采集及其器件设计[D].厦门大学硕士学位论文.2008年6月)采用玻璃/SOI/玻璃三层结构。然而，静电式工作时需要额外提供一个初始的启动电压源或电荷源，这为制造和微型化带来了不便。传统的振动能量收集器通常被设计成线性振动结构(因线性振动结构的设计比较容易实现)，其工作频率被固定在一个特别激发的共振频率点上。振动能量收集如何与多样性的环境振动频率相适应以提高能量的收集效率是该技术目前面临的最大问题。

在现有的压电能量收集器中，基本上都是用溶胶凝胶的方法制备压电陶瓷PZT。器件在工作过程中，由于压电陶瓷PZT的制备过程复杂，往往导致器件本身的不稳定性和性能较差等问题。同时，中间层基本上是采用硅片，在制作工艺过程中无法实现腐蚀的自停止功能，而且制作程序复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备过程较简单、可克服传统的溶胶凝胶制备PZT所带来的器件稳定性和性能较差等缺点，同时可实现能量的宽频带和高效率收集的压电-静电复合式微机械振动能量收集器(芯片式)及其制造方法。

所述压电-静电复合式微机械振动能量收集器设有芯片主体和芯片外部电路；

所述芯片主体为三层片状结构，所述芯片主体设有上玻璃片器件、SOI片器件、下玻璃片器件、压电陶瓷片组、压电陶瓷片电极和可变电容极板电极；上玻璃片器件的横截面形状呈倒U字形；SOI片器件的横截面形状呈倒山字形，SOI片器件的中部为质量块，质量块与周壁之间的连接部设有至少2个镂空槽，各镂空槽围绕在质量块周边，并且以质量块为中心呈对称布置；下玻璃片器件的横截面形状呈U字形，上玻璃片器件下端面与SOI片器件上端面通过阳极键合结合，SOI片器件下端面与下玻璃片器件上端面也通过阳极键合结合；上玻璃片器件与SOI片器件构成可变电容，其中上玻璃片器件作为固定式的上电容极板，SOI片器件作为振动式的下电容极板；压电陶瓷片组设有至少2片压电陶瓷片，各压电陶瓷片设于所述质量块与周壁之间的连接部，并围绕在质量块周边，而且以质量块为中心呈对称布置；每片压电陶瓷片上均设压电陶瓷片电极，各压电陶瓷片电极串联后通过导线与芯片外部电路连接；可变电容极板电极的上电极设于上玻璃片器件内表面，可变电容极板电极的下电极设于SOI片器件的质量块上端面，可变电容极板电极通过导线与芯片外部电路连接。

所述至少2个镂空槽，最好是4个L字形镂空槽。

所述压电陶瓷片电极优选Pt，Au电极等。

所述可变电容极板电极优选Pt，Au电极等。

所述芯片外部电路可设有整流电路、滤波电容、第一开关、第二开关和能量储存电容；所述芯片主体的各压电陶瓷片电极串联后形成压电交流电源，该压电交流电源输出端接整流电路输入端，整流电路输出端接滤波电容输入端，滤波电容输出端经第一开关接可变电容极板电极输入端，可变电容极板电极的输出端经第二开关接能量储存电容输入端，能量储存电容输出端外接负载。所述整流电路优选桥式整流电路。所述第一开关和第二开关均优选二极管开关。

所述芯片外部电路可设有整流电路、滤波电容、第一开关、第二开关、能量储存电容以及可变电容极板启动电源；所述芯片主体的各压电陶瓷片电极串联后形成压电交流电源，该压电交流电源输出端外接负载，可变电容极板启动电源的输出端经第一开关接可变电容极板电极输入端，可变电容极板电极的输出端经第二开关接能量储存电容输入端，能量储存电容输出端外接负载。所述整流电路优选桥式整流电路。所述第一开关和第二开关均优选二极管开关。所述电容极板启动电源可直接采用外部的直流电源，如采用电池或通过适配器外接市电。

本发明所述的压电-静电复合式微机械振动能量收集器的制造方法，包括以下阶段和步骤：

第一阶段  下玻璃片器件制作

a.玻璃片清洗，溅射金，涂光刻胶、掩模、曝光；

b.湿法腐蚀金，腐蚀完毕后留下的金属图形作为接下来刻蚀玻璃片所用的掩模；

c.湿法将玻璃片腐蚀出凹槽，使玻璃片成为倒U字形；

d.使用湿法腐蚀去除金，制得下玻璃片器件；

第二阶段  SOI片器件制作

a.将SOI片器件正面沉积Au层，然后切割至规定尺寸；Au层作为金硅共融键合的粘结层，并作为可变电容极板电极的下电极层；

b.将各压电陶瓷片切割至规定尺寸，经双面抛光后，在待键合面沉积Au层；

c.将SOI片器件和各压电陶瓷片的待键合面紧密接触后进行金硅共融键合；

d.在金硅共融键合后，使用不同数目的砂纸和不同颗粒度的研磨膏对各压电陶瓷片进行物理减薄至规定尺寸；

e.对各压电陶瓷片图形化，旋涂正胶，掩膜，曝光，显影；

f.刻蚀各压电陶瓷片；

g.图形化各压电陶瓷片的下电极，在压电陶瓷片底面涂正胶，掩模，曝光，显影，得到压电陶瓷片电极的下电极，然后通过沉积导线将各压电陶瓷片的下电极串联；

h.使用王水图形化SOI片器件上的可变电容极板电极的下电极层，并去胶，得到可变电容极板电极的下电极；

i.制备各压电陶瓷片电极的上电极，在压电陶瓷片表面涂正胶，掩模，曝光，显影；

j.溅射金；

k.浸泡酒精，剥离金属，得到可变电容极板电极的上电极，然后通过沉积导线将各压电陶瓷片的上电极串联

l.刻蚀质量块与周壁之间的连接部分，在质量块与周壁之间的连接部分涂正胶，掩模，曝光，显影；

m.然后DRIE刻蚀质量块与周壁之间的连接部分，刻蚀完成后去胶，在酒精及丙酮溶液中清洗；

n.对SOI片器件的上表面进行干法刻蚀，在SOI片器件的上表面旋涂正胶，烘干，制得SOI片器件的上表面保护层；

o.在SOI片器件的下表面旋涂正胶作为刻蚀SOI片器件的掩膜；

p.接着用DRIE刻蚀SOI片器件，刻蚀至SOI片器件的二氧化硅阻挡层；

q.再用BHF溶液腐蚀二氧化硅阻挡层，释放出质量块的结构和质量块与周壁之间的连接部分的结构；

r.浸泡酒精溶液去除SOI片器件正面的胶膜，从而制得SOI片器件；

第三阶段  上玻璃片器件制作

a.玻璃片清洗，溅射金；

b.涂胶、掩模、曝光；

c.腐蚀金，腐蚀完毕后留下的金属图形作为接下来刻蚀玻璃片所用的掩模；

d.在玻璃片上腐蚀出凹槽，去除金及铬，使玻璃片成为U字形；

e.使用BHF溶液，制备出阻隔物，去胶；

f.涂胶，两次曝光，掩模，显影；

g.使用BHF溶液，制备阻隔物，去胶；

h.可变电容极板电极的上电极制备，在上玻璃片器件内表面溅射金，然后去胶剥离，得到可变电容极板电极，从而制得上玻璃片器件；

第四阶段  装配

a.通过阳极键合工艺将SOI片器件的上下两端面分别与下玻璃片器件和上玻璃片器件键合在一起，成为一体。

第五阶段  连接芯片外部电路

将各压电陶瓷片中的1片压电陶瓷片的电极通过拉金丝工艺引出2根导线，将该2根导线与所述芯片外部电路连接，将可变电容极板电极通过拉金丝工艺也引出2根导线，将该2根导线与所述芯片外部电路连接，芯片外部电路按照所述的电路组成关系连接好即可，这样就制得了本发明所述的压电-静电复合式微机械振动能量收集器。

在第一阶段的步骤a中，所述玻璃片可采用7740玻璃片，所述溅射金为溅射金在第一阶段的步骤b中，所述腐蚀金的腐蚀溶液按质量比可为碘∶碘化钾∶H₂O＝1.5∶5∶70；在第一阶段的步骤c中，所述腐蚀玻璃片的腐蚀溶液按体积比可为HNO₃∶HF∶H₂O＝100∶70∶300。

在第二阶段的步骤a中，所述沉积Au层的Au层厚度可为0.9μm；所述规定尺寸可为28mm×28mm的正方形；在第二阶段的步骤b中，所述压电陶瓷片可为PZT5，所述规定尺寸可为20mm×20mm正方形，厚度可为10μm；所述沉积Au层的Au层厚度可为0.9μm；在第二阶段的步骤c中，所述金硅共融键合的键合条件可为：真空环境下，压强0.8MPa，温度550℃，键合时间2h；在第二阶段的步骤d中，所述减薄至规定尺寸将厚度可从10μm减薄至1.5μm。在第二阶段的步骤e中，所述旋涂正胶可采用旋涂正胶BP212，匀胶时间可为30s，转速可为2000r/s，胶的厚度可为1.5μm；在第二阶段的步骤f中，所述刻蚀各压电陶瓷片，刻蚀溶液的体积比可为BHF∶HCL∶H₂O＝1∶25∶74；其中BHF溶液的质量比可为：HF∶NH₄F∶H₂O＝28∶113∶170；第二阶段的步骤m中，刻蚀的工艺参数可为：SF6流量20mL/min，射频功率20W，工作气压8Pa。

在第三阶段的步骤a中，所述玻璃片可采用7740玻璃片，所述溅射金可为溅射金在第三阶段的步骤e中，所述阻隔物的深度可为2μm；在第三阶段的步骤g中，所述阻隔物的深度可为2μm；在第三阶段的步骤h中，所述溅射金可为溅射金

在第四阶段的步骤a中，所述阳极键合工艺的条件可为：电压600V，温度370℃，压力200N，电流8mA，时间30min。

与现有技术比较，本发明的有益效果如下：

本发明采用了集成电路和MEMS相结合的加工工艺，将压电陶瓷(简称PZT)片通过金硅共融键合到SOI片器件上，这样避免了传统的溶胶凝胶制备PZT带来的器件不稳定性和性能差的缺点。本发明利用压电效应产生的电压通过电极引出作用于静电上下电容极板，实现电子器件的自供能，提高了振动能量的收集效率。由于压电静电耦合效应产生的非线性应力应变，本发明可以实现外界环境振动能量的宽频带收集，它是一种较有前景的替代传统电池的技术。随着集成电路制造技术和微纳加工技术的进步，电子器件的体积和功耗不断降低，无线传感网络、嵌入式系统等领域加速向智能化和微型化方向发展，其中涉及的微器件和微系统在工作时往往需要体积小、功率高、长寿命和性能可靠的适配电源。采用本发明可以实现这样的目标。

使用时，将压电-静电复合式微机械振动能量收集器放置于振动源处接收振动能量，由于质量块与周壁之间的连接部设有镂空槽，因此该连接部具有良好弹性，这样质量块会作上下振动位移。当可变电容的下电容极板随质量块运动到最上方时，可变电容达到最大值，第一开关闭合，此阶段压电片产生的电压给可变电容充电，充电结束后，电容电量达到最大值，第一开关断开；当可变电容的下电容极板随质量块开始下降时，可变电容的电容值减小，而可变电容的电量保持不变，则可变电容两端的电压开始上升，当可变电容达到最小值时，可变电容上的电压达到最大值。此时第二开关闭合，可变电容对芯片外部电路顺时放电，实现能量转换；下电容极板运动到最低位置后，又开始重新向上运动，完成一个机械振动周期。

当所述芯片外部电路采用技术方案之一时：上电容极板与下电容极板构成的可变电容可通过压电交流电源实现自供能。当所述芯片外部电路采用技术方案之二时：上电容极板与下电容极板构成的可变电容也可通过外设的电容极板启动电源(如电池或通过适配器外接市电)供能。

由此可见，本发明利用压电片受振动变形发生压电效应，从而形成压电交流电源，这样可实现能量收集(机械能转换为电能)，并对外输出。本发明具有结构简单、对环境振动能量自适应、高效率和宽频带收集振动能量，并且可实现自供能等突出优点。实际应用时，结构尺寸均可根据需要设计，从而具有不同的共振频率，这样才能适应多样性的环境振动频率，输出稳定的功率，实现能量的宽频带收集，可以实现线性或非线性的环境振动能量的宽频带收集。本发明所述的制造方法是将上述压电-静电复合式微机械振动能量收集器制造成芯片式的微米级器件。本发明是采用金硅共融键和技术制备压电陶瓷，而且中间层是采用SOI片器件，在工作过程中，可以保证器件本身的稳定性和性能可靠，在制作工艺过程中可以实现腐蚀的自停止功能，制作程序较简单。

附图说明

图1为本发明所述的基于压电-静电的复合式微机械振动能量收集器的实施例1结构示意图(芯片外部电路未画出)。

图2为图1的A-A剖面结构示意图。

图3为图1中的SOI片器件上的压电陶瓷片组、压电陶瓷片电极和可变电容极板电极的布置示意图。

图4为实施例1的电路原理示意图。

图5为图1中的下玻璃片器件的制作工艺步骤图。

图6为图1中的SOI片器件的制作工艺步骤图。

图7为图1中的上玻璃片器件的制作工艺步骤图。

图8为实施例2的电路原理示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1～3，本发明所述的压电-静电复合式微机械振动能量收集器，设有芯片主体和芯片外部电路；

主体为三层的片状结构，设有上玻璃片器件4、SOI片器件1、下玻璃片器件8、压电陶瓷片组(由4片压电陶瓷片5组成)、压电陶瓷片电极(有4对电极3)和可变电容极板电极(由上电极2和下电极3组成的1对电极)。

上玻璃片器件4的横截面形状呈倒U字形；SOI片器件1的横截面形状呈倒山字形，SOI片器件1的中部为质量块11，质量块11与周壁之间的连接部12设有4个L字形镂空槽121，各镂空槽121围绕在质量块11周边，并且以质量块11为中心呈对称布置。标号111为SOI片器件中的二氧化硅层(即点画斜剖面线区域)。下玻璃片器件8的横截面形状呈U字形，上玻璃片器件4下端面与SOI片器件1上端面通过阳极键合结合，SOI片器件1下端面与下玻璃片器件8上端面也通过阳极键合结合。上玻璃片器件4与SOI片器件1构成可变电容，其中上玻璃片器件4作为固定式的上电容极板，SOI片器件1作为振动式的下电容极板。压电陶瓷片组设有4片压电陶瓷片5，各压电陶瓷片5设于所述质量块11与周壁之间的连接部12上，并围绕在质量块11周边，而且以质量块11为中心呈对称布置。每片压电陶瓷片5上均设1对压电陶瓷片电极3，各压电陶瓷片电极3串联后通过导线9和10引出与芯片外部电路连接。可变电容极板电极的上电极2设于上玻璃片器件4内表面，可变电容极板电极的下电极3设于SOI片器件1的质量块11上端面，可变电容极板电极通过导线6和7引出与芯片外部电路连接。压电陶瓷片电极为Pt和Au电极。可变电容极板电极为Pt和Au电极。

参见图4，芯片外部电路设有整流电路13、滤波电容14(C)、第一开关15(SW1)、第二开关17(SW2)和能量储存电容Cs；所述各压电陶瓷片电极串联后形成压电交流电源I_p，该压电交流电源I_p输出端接整流电路13输入端，整流电路13输出端接滤波电容14(C)输入端，滤波电容14输出端经第一开关15(SW1)接可变电容16(C_v)极板电极输入端，可变电容16极板电极的输出端经第二开关17(SW2)接能量储存电容18(C_s)输入端，能量储存电容18输出端外接负载19(R)。所述整流电路13为桥式整流电路。所述第一开关15和第二开关17均为二极管开关。标号6和7为可变电容极板电极通过拉金丝工艺引出的2根导线。

如实施例1所述的压电-静电复合式微机械振动能量收集器的制造方法，包括以下阶段和步骤：

第一阶段，参见图5中a～d图(图5中的每幅图对应1个工艺步骤)，网格状剖面区域表示胶层，竖直剖面线区域表示金电极。下玻璃片器件8的制作工艺步骤为：

a.见图5中的a图，将玻璃片81清洗，溅射金；涂光刻胶20、掩模、曝光；玻璃片81为7740玻璃片，所述溅射金为溅射金

b.见图5中的b图，湿法腐蚀金，腐蚀完毕后留下的金属图形作为接下来刻蚀玻璃片所用的掩模；所述腐蚀金的腐蚀溶液为：碘∶碘化钾∶H₂O＝1.5g∶5g∶70ml；

c.见图5中的c图，使用湿法腐蚀玻璃片，将玻璃片腐蚀出凹槽，使玻璃片成为倒U字形；所述腐蚀玻璃片的腐蚀溶液为HNO₃∶HF∶H₂O＝100ml∶70ml∶300ml；

d.见图5中的d图，使用湿法腐蚀去除金，从而制得下玻璃片器件8。

第二阶段，参见图6中a～r图(图6中的每幅图对应1个工艺步骤)，点画斜剖面线区域表示SOI片器件中的二氧化硅层，竖直剖面线区域表示金电极，网格状剖面区域表示胶层，城墙状剖面区域表示压电陶瓷片。SOI片器件1的制作工艺步骤为：

a.见图6中的a图，将SOI片100正面沉积Au层，然后切割至规定尺寸；Au层作为金硅共融键合的粘结层，并作为可变电容极板电极的下电极层；所述沉积Au层的Au层厚度为0.9μm；所述规定尺寸为28mm×28mm的正方形；

b.见图6中的b图，将各压电陶瓷片切割至规定尺寸，经双面抛光后，在待键合面沉积Au层；所述压电陶瓷片为PZT5，所述规定尺寸为20mm×20mm正方形，厚度为10μm；所述沉积Au层的Au层厚度为0.9μm；

c.见图6中的c图，将SOI片器件和各压电陶瓷片的待键合面紧密接触后进行金硅共融键合；所述金硅共融键合的键合条件为：真空环境下，压强0.8MPa，温度550℃，键合时间2h；

d.见图6中的d图，在金硅共融键合后，使用不同数目的砂纸和不同颗粒度的研磨膏对各压电陶瓷片进行物理减薄至规定尺寸；所述减薄至规定尺寸将厚度从10μm减薄至1.5μm；

e.见图6中的e图，对各压电陶瓷片图形化，旋涂正胶，掩膜，曝光，显影；所述旋涂正胶是旋涂正胶BP212，匀胶时间为30秒，转速为2000r/s，胶的厚度为1.5μm；

f.见图6中的f图，刻蚀各压电陶瓷片；刻蚀溶液配比为BHF∶HCL∶H2O＝1ml∶25ml∶74ml；其中BHF溶液配比为：HF∶NH4F∶H2O＝28ml∶113g∶170ml；

g.见图6中的g图，图形化各压电陶瓷片的下电极，在压电陶瓷片底面涂正胶，掩模，曝光，显影，得到压电陶瓷片电极的下电极，然后通过沉积导线将各压电陶瓷片的下电极串联；

h.见图6中的h图，使用王水图形化SOI片器件上的可变电容极板电极的下电极层，并去胶，得到可变电容极板电极的下电极；

i.见图6中的i图，制备各压电陶瓷片电极的上电极，在压电陶瓷片表面涂正胶，掩模，曝光，显影；

j.见图6中的j图，在压电陶瓷片表面溅射金制备压电陶瓷片电极；

k.见图6中的k图，浸泡酒精，剥离金属，得到可变电容极板电极的上电极，然后通过沉积导线将各压电陶瓷片的上电极串联；

l.见图6中的l图，刻蚀质量块与周壁之间的连接部分，在质量块与周壁之间的连接部分涂正胶BP212，掩模，曝光，显影；

m.见图6中的m图，DRIE刻蚀质量块与周壁之间的连接部分，刻蚀完成后去胶，在酒精及丙酮溶液中清洗；刻蚀的工艺参数为：SF6流量20mL/min，射频功率20W，工作气压8Pa；

n.见图6中的n图，对SOI片器件的上表面进行干法刻蚀，在SOI片器件的上表面旋涂正胶BP212，烘干，制得SOI片器件的上表面保护层；

o.见图6中的o图，在SOI片器件的下表面旋涂正胶BP212作为刻蚀SOI片器件的掩膜；

p.见图6中的p图，DRIE刻蚀SOI片器件，刻蚀至SOI片器件的二氧化硅阻挡层；

q.见图6中的q图，再用BHF溶液腐蚀二氧化硅阻挡层，释放出质量块的结构和质量块与周壁之间的连接部分的结构；

r.见图6中的r图，浸泡酒精溶液去除SOI片器件正面的胶膜，从而制得SOI片器件1。

第三阶段，参见图7中a～h图(图7中的每幅图对应1个工艺步骤)，网格状剖面区域表示胶层，点状剖面区域表示铂金电极，竖直剖面线区域表示金电极。上玻璃片器件2的制作工艺步骤为：

a.见图7中的a图，将7740玻璃片41清洗，溅射金

b.见图7中的b图，然后涂胶、掩模、曝光；

c.见图7中的c图，腐蚀金，腐蚀完毕后留下的金属图形作为接下来刻蚀玻璃片所用的掩模；

d.见图7中的d图，在玻璃片上腐蚀出凹槽，去除金，使玻璃片成为U字形；

e.见图7中的e图，使用BHF溶液(NH₄F+HF+H₂O)，制备出阻隔物，深度为2μm，，去胶；

f.见图7中的f图，涂胶，两次曝光，掩模，显影；

g.见图7中的g图，使用BHF溶液(NH₄F+HF+H₂O)，制备阻隔物，深度为2μm，去胶；

h.见图7中的h图，可变电容极板电极的上电极制备，在上玻璃片器件内表面溅射金然后去胶剥离，得到可变电容极板电极，从而制得上玻璃片器件4；

第四阶段  装配  装配工艺步骤为：

a.通过阳极键合工艺将SOI片器件的上下两端面分别与下玻璃片器件和上玻璃片器件键合在一起，成为一体；

第五阶段  连接芯片外部电路

将各压电陶瓷片中的1片压电陶瓷片的电极通过拉金丝工艺引出2根导线9和10，将该2根导线与所述芯片外部电路连接，将可变电容极板电极通过拉金丝工艺也引出2根导线6和7，将该2根导线与所述芯片外部电路连接，芯片外部电路按照所述的电路组成关系连接好即可，这样就制得了本发明所述的压电-静电复合式微机械振动能量收集器。

实施例2

参见图8，与实施例1类似，区别仅在于芯片外部电路不同。所述芯片外部电路设有滤波电容14(C)、第一开关15(SW1)、第二开关17(SW2)、能量储存电容18(C_s)以及可变电容极板启动电源20；可变电容极板启动电源20的输出端经第一开关15接可变电容16(C_v)极板电极输入端，可变电容16极板电极的输出端经第二开关17接能量储存电容18输入端，能量储存电容18输出端外接负载R。所述第一开关15和第二开关17均为二极管开关。所述电容极板启动电源20可直接采用外部的直流电源，如采用电池或通过适配器外接市电。标号6和7为可变电容极板电极通过拉金丝工艺也引出的2根导线。

Claims (10)

1.一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器，其特征在于设有芯片主体和芯片外部电路；

所述芯片主体为三层的片状结构，所述芯片主体设有上玻璃片器件、SOI片器件、下玻璃片器件、压电陶瓷片组、压电陶瓷片电极和可变电容极板电极；上玻璃片器件的横截面形状呈倒U字形；SOI片器件的横截面形状呈倒山字形，SOI片器件的中部为质量块，质量块与周壁之间的连接部设有至少2个L字形镂空槽，各镂空槽围绕在质量块周边，并且以质量块为中心呈对称布置；下玻璃片器件的横截面形状呈U字形，上玻璃片器件下端面与SOI片器件上端面通过阳极键合结合，SOI片器件下端面与下玻璃片器件上端面也通过阳极键合结合；上玻璃片器件与SOI片器件构成可变电容，其中上玻璃片器件作为固定式的上电容极板，SOI片器件作为振动式的下电容极板；压电陶瓷片组设有至少2片压电陶瓷片，各压电陶瓷片设于所述质量块与周壁之间的连接部，并围绕在质量块周边，而且以质量块为中心呈对称布置；每片压电陶瓷片上均设压电陶瓷片电极，各压电陶瓷片电极串联后通过导线与芯片外部电路连接；可变电容极板电极的上电极设于上玻璃片器件内表面，可变电容极板电极的下电极设于SOI片器件的质量块上端面，可变电容极板电极通过导线与芯片外部电路连接。

2.如权利要求1所述的一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器，其特征在于所述质量块与周壁之间的连接部设有4个L字形镂空槽。

3.如权利要求1所述的一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器，其特征在于所述压电陶瓷片电极为Pt电极或Au电极；所述可变电容极板电极为Pt电极或Au电极。

4.如权利要求1所述的一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器，其特征在于所述芯片外部电路设有整流电路、滤波电容、第一开关、第二开关和能量储存电容；所述芯片主体的各压电陶瓷片电极串联后形成压电交流电源，该压电交流电源输出端接整流电路输入端，整流电路输出端接滤波电容输入端，滤波电容输出端经第一开关接可变电容极板电极输入端，可变电容极板电极的输出端经第二开关接能量储存电容输入端，能量储存电容输出端外接负载；所述整流电路优选桥式整流电路；所述第一开关和第二开关均优选二极管开关。

5.如权利要求1所述的一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器，其特征在于所述芯片外部电路设有整流电路、滤波电容、第一开关、第二开关、能量储存电容以及可变电容极板电极启动电源；所述芯片主体的各压电陶瓷片电极串联后形成压电交流电源，该压电交流电源输出端外接负载，可变电容极板电极启动电源的输出端经第一开关接可变电容极板电极输入端，可变电容极板电极的输出端经第二开关接能量储存电容输入端，能量储存电容输出端外接负载；所述整流电路优选桥式整流电路；所述第一开关和第二开关均优选二极管开关；所述可变电容极板电极启动电源直接采用外部的直流电源。

6.如权利要求1所述的一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器的制造方法，包括以下阶段和步骤：

第一阶段  下玻璃片器件制作

a.玻璃片清洗，溅射金；涂光刻胶、掩膜、曝光；

b.湿法腐蚀金，腐蚀完毕后留下的金属图形作为接下来刻蚀玻璃片所用的掩模；

c.湿法将玻璃片腐蚀出凹槽，使玻璃片的横截面形状呈U字形；

d.使用湿法腐蚀去除金，从而制得下玻璃片器件；

第二阶段  SOI片器件制作

a.将SOI片器件正面沉积Au层，然后切割至规定尺寸；Au层作为金硅共融键合的粘结层，并作为可变电容极板电极的下电极层；

b.将各压电陶瓷片切割至规定尺寸，经双面抛光后，在待键合面沉积Au层；

c.将SOI片器件和各压电陶瓷片的待键合面紧密接触后进行金硅共融键合；

d.在金硅共融键合后，使用不同数目的砂纸和不同颗粒度的研磨膏对各压电陶瓷片进行物理减薄至规定尺寸；

e.对各压电陶瓷片图形化，旋涂正胶，掩膜，曝光，显影；

f.刻蚀各压电陶瓷片；

g.图形化各压电陶瓷片的下电极，在压电陶瓷片底面涂正胶，掩模，曝光，显影，得到压电陶瓷片电极的下电极，然后通过沉积导线将各压电陶瓷片的下电极串联；

h.使用王水图形化SOI片器件上的可变电容极板电极的下电极层，并去胶，得到可变电容极板电极的下电极；

i.制备各压电陶瓷片电极的上电极，在压电陶瓷片表面涂正胶，掩模，曝光，显影；

j.溅射金；

k.浸泡酒精，剥离金属，得到可变电容极板电极的上电极，然后通过沉积导线将各压电陶瓷片的上电极串联

l.刻蚀质量块与周壁之间的连接部分，在质量块与周壁之间的连接部分涂正胶，掩模，曝光，显影；

m.然后DRIE刻蚀质量块与周壁之间的连接部分，刻蚀完成后去胶，在酒精及丙酮溶液中清洗；

n.对SOI片器件的上表面进行干法刻蚀，在SOI片器件的上表面旋涂正胶，烘干，制得SOI片器件的上表面保护层；

o.在SOI片器件的下表面旋涂正胶作为刻蚀SOI片器件的掩膜；

p.接着用DRIE刻蚀SOI片器件，刻蚀至SOI片器件的二氧化硅阻挡层；

q.再用BHF溶液腐蚀二氧化硅阻挡层，释放出质量块的结构和质量块与周壁之间的连接部分的结构；

r.浸泡酒精溶液去除SOI片器件正面的胶膜，从而制得SOI片器件；

第三阶段  上玻璃片器件制作

a.玻璃片清洗，溅射金；

b.涂胶、掩模、曝光；

c.腐蚀金，腐蚀完毕后留下的金属图形作为接下来刻蚀玻璃片所用的掩模；

d.在玻璃片上腐蚀出凹槽，去除金，使玻璃片的横截面形状呈倒U字形；

e.使用BHF溶液，制备出阻隔物，去胶；

f.涂胶，两次曝光，掩模，显影；

g.使用BHF溶液，制备阻隔物，去胶；

h.可变电容极板电极的上电极制备，在上玻璃片器件内表面溅射金，然后去胶剥离，得到可变电容极板电极的上电极，从而制得上玻璃片器件；

第四阶段  装配

a.通过阳极键合工艺将SOI片器件的上下两端面分别与下玻璃片器件和上玻璃片器件键合在一起，成为一体；

第五阶段  连接芯片外部电路

将各压电陶瓷片中的1片压电陶瓷片的电极通过拉金丝工艺引出2根导线，将该2根导线与所述芯片外部电路连接，将可变电容极板电极通过拉金丝工艺也引出2根导线，将该2根导线与所述芯片外部电路连接，再连接好芯片外部电路，即制得所述压电-静电复合式微机械振动能量收集器。

7.如权利要求6所述的一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器的制造方法，其特征在于在第一阶段的步骤b中，所述腐蚀金的腐蚀溶液为：碘∶碘化钾∶H₂O＝1.5g∶5g∶70ml；在第一阶段的步骤c中，所述腐蚀玻璃片的腐蚀溶液为HNO₃∶HF∶H₂O＝100ml∶70ml∶300ml。

8.如权利要求6所述的一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器的制造方法，其特征在于在第二阶段的步骤a中，所述沉积Au层的Au层厚度为0.9μm；所述规定尺寸为28mm×28mm的正方形；在第二阶段的步骤b中，所述压电陶瓷片为PZT5，所述规定尺寸为20mm×20mm正方形，厚度为10μm；所述沉积Au层的Au层厚度为0.9μm；在第二阶段的步骤c中，所述金硅共融键合的键合条件为：真空环境下，压强0.8MPa，温度550℃，键合时间2h；在第二阶段的步骤d中，所述减薄至规定尺寸将厚度从10μm减薄至1.5μm；在第二阶段的步骤e中，所述旋涂正胶是旋涂正胶BP212，匀胶时间为30秒，转速为2000转/秒，胶的厚度为1.5μm；在第二阶段的步骤f中，所述刻蚀各压电陶瓷片，刻蚀溶液配比为BHF∶HCl∶H₂O＝1mL∶25mL∶74mL；其中BHF溶液配比为：HF∶NH₄F∶H₂0＝28mL∶113g∶170mL；第二阶段的步骤m中，刻蚀的工艺参数为：SF₆流量20mL/min，射频功率20W，工作气压8Pa。

9.如权利要求6所述的一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器的制造方法，其特征在于在第三阶段的步骤e中，所述阻隔物的深度为2μm；在第三阶段的步骤g中，所述阻隔物的深度为2μm。

10.如权利要求6所述的一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器的制造方法，其特征在于在第四阶段的步骤a中，所述阳极键合工艺的条件为：电压600V，温度370℃，压力200N，电流8mA，时间30min。