发明内容
本发明的目的在于提供一种基于柔性基底的微机电系统(MEMS)电磁式能量采集器及其制备方法,使用柔性聚合物作为基底,代替目前广泛使用的硅材料;并利用电镀工艺制备能量采集器中的部分永磁体和全部铜线圈,结合MEMS表面微机械加工技术来制备能量采集器。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种电磁式能量采集器,包括由柔性结构层形成的腔体,以及封装于所述腔体内的永磁体块;所述柔性结构层包括柔性基底,以及位于所述柔性基底上的平面线圈和永磁体阵列。
进一步地,所述柔性基底为生物兼容性柔性聚合物,例如聚对二甲苯(Parylene)、PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)等;也可以为其它柔性聚合物,如聚酰亚胺等。
进一步地,所述永磁体阵列和所述平面线圈通过电镀工艺制成。
进一步地,所述永磁体阵列采用CoNiMnP永磁材料。
进一步地,所述腔体可以是四面体、正方体、长方体等,优选采用正方体结构。
进一步地,所述柔性结构层还包括保护层,位于所述柔性基底上并覆盖所述永磁体阵列和所述平面螺旋线圈,用于提高能量采集器结构的稳定性和使用寿命。
进一步地,所述腔体通过将所述柔性结构层折叠或粘接形成,优选采用折叠方式。
一种电磁式能量采集器的制备方法,其步骤包括:
1)在硅片上沉积柔性基底层;
2)溅射种子层;
3)旋涂光刻胶,进行第一次光刻;
4)电镀平面线圈;
5)旋涂光刻胶,进行第二次光刻;
6)电镀永磁体阵列;
7)无掩膜曝光去种子层上的光刻胶、去除种子层;
8)连线并覆盖保护层薄膜;
9)将柔性结构层从硅片上剥离并形成腔体,将永磁体块封装入该腔体内。
进一步地,采用蒸发冷凝的方式制作所述柔性基底层。
进一步地,所述柔性基底层的厚度为10μm。
进一步地,所述种子层为Ti/Cu。
进一步地,通过折叠或粘接方式形成所述腔体,优选采用折叠方式。
本发明的柔性基底可折叠的MEMS电磁式能量采集器的优点和积极效果如下:
1)电镀法制备的永磁体以及三维微机械加工方法,使得能量采集器的尺寸更小,并可以与IC工艺相兼容。相比微装配或者手工粘连永磁体,电镀法制备的永磁体与平面螺旋线圈的间距进一步缩小,可以获得更大的输出功率;
2)当采用聚合物柔性材料(Parylene)作为柔性基底,并结合PDMS作为结构保护膜时,具有很好的生物兼容性,适合生物体应用,不但为微纳传感器自我供电提供了技术途径,而且为微纳传感器在生物体内的无线应用提供了可能,可以应用于内置生物传感器、生物医药监控和生物活体探测等;
3)采用柔性基底,器件具有一定程度的可变形性,适用于一些需要器件变形的特殊环境。
具体实施方式
下面通过具体实施例,并配合附图,对本发明做详细的说明。
图1为本实施例的电磁式能量采集器的结构示意图,该能量采集器为正方体结构,包括柔性基底1、平面螺旋线圈4、永磁体阵列6以及封装在正方体结构的腔体内部的永磁体块(未示出)。该正方体式能量采集器由平面的柔性结构层薄膜折叠而成,图2为其折叠前平面柔性结构层的示意图,六个面均有平面螺旋线圈且尺寸相同,输出可以并联也可串联,具体情况可视需要而定。
图3为图2所示的柔性结构层的剖面示意图。其中,柔性基底1为聚对二甲苯(Parylene)薄膜,平面螺旋线圈4和永磁体阵列6电镀于Parylene薄膜之上,永磁体阵列6位于平面螺旋线圈4内部,并用保护层7包裹结构层,永磁体阵列6下面有种子层2(下文的制作工艺中将对该种子层做进一步描述)。其中,永磁体阵列6的材料为CoNiMnP永磁材料,CoNiMnP容易在柔性基底上电镀,而且与衬底的结合较好;保护层7的材料为PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)薄膜。
图4为封入图1所示的能量采集器内的永磁铁块的示意图。当环境中有振动时,将会引起永磁体块的振动,从而穿过平面螺旋线圈的磁通量发生变化,根据法拉第电磁感应定律,平面螺旋线圈就会有感应电动势,从而在外加负载上输出功率。由于正方体式的能量采集器的六个面均有线圈,故六个面均能产生能量,这样能量采集器的能量密度就会比较大。同理,当柔性基底受到挤压产生形变时,也可产生感应电动势,从而在外加负载上输出功率。
上述实施例中,柔性基底1为聚对二甲苯,但也可以采用其它生物兼容性的柔性聚合物,如PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)等;也可以为不具有生物兼容性的其它柔性聚合物,如聚酰亚胺等。
上述实施例中,柔性结构层(由柔性基底1、平面螺旋线圈4、永磁体阵列6和保护层7构成的结构薄膜)的厚度为520μm;平面螺旋线圈4可选用如下尺寸:线宽为80um,线间距为100μm;或线宽为100μm,线间距为200μm;或线宽为150μm,线间距为200μm。但也可以选用其它尺寸,本发明不限于此。
上述实施例中,永磁体阵列3可选用如下参数:3行3列,每个永磁体的横截面为300μm×300μm,阵列永磁体的间距为100μm;或3行2列,每个永磁体的横截面为200μm×200μm,阵列永磁体的间距为200μm;或为2行2列,每个永磁体的横截面为200μm×200μm,阵列永磁体的间距为200μm。但也可以选用其它参数,本发明不限于此。
上述实施例中,能量采集器的腔体为立方体结构,但也可以是其它形状,如四面体、长方体等,可跟进实际需要采用不同的形状。该腔体可以通过将一块柔性结构层折叠形成,也可以通过将多块柔性结构层粘接形成。可以采用刻刀或剪刀裁剪,然后使用胶水或PDMS等粘结剂进行粘连。本发明优选采用折叠方式。
上述实施例中,柔性基底上电镀永磁体阵列而没有电镀一整块磁体,是由于永磁体阵列可以减少CoNiMnP电镀层与柔性基底之间的应力。永磁体阵列的电镀,采用Co作为阳极,以维持电镀液中Co离子的浓度,另外,在电镀槽两侧沿垂直于硅片方向放置两块强永磁体(比如NdFeB)以形成外加磁场,在电镀时对电镀的永磁体阵列进行垂直磁场取向,为了改善电镀层磁体的磁性能和均匀性,可以采取搅拌器等对电镀液进行搅拌,硅片连接恒流源的负极在电镀槽的一侧,恒流源的阳极连接于电镀槽的另一侧。除采用阵列形式外,还可以采用如下方法降低电镀永磁体膜层的内应力:在电镀液配方中添加糖精,糖精添加剂分子可以吸附在空穴处阻碍位错的生成,从而使得镀层应力下降;采用低浓度镀液,有利于降低镀层的内应力;电镀夹层薄膜,比如三明治结构Ni/CoNiMnP/Ni,磁性变化不大,但可以降低应力。
图5为图1中电磁式能量采集器的制作工艺流程图,下面通过具体实施例对其做详细的说明。
实施例1:包括如下步骤:
(1)制备Parylene薄膜
对硅片进行清洗等处理过程,如图5(a)所示。在硅片上采用真空淀积的方法(即蒸发冷凝方法)制备10μm厚的Parylene薄膜。真空120℃条件下将Parylene固体原料升华成气态,650℃条件下将气态原料裂解为具有反应活性的单体,气态单体在室温下淀积聚合生成Parylene薄膜,如图5(b)所示。除硅片外,也可以采用玻璃等其它衬底。
(2)溅射Ti/Cu种子层
采用真空溅射的方法制备Ti/Cu种子层。在真空环境中50W功率的条件下溅射1个小时,可得到总厚度为200nm的Ti/Cu种子层,如图5(c)所示。
(3)Cu线圈制备
在Ti/Cu种子层上旋涂10μm厚的正胶AZ P4620,曝光180s,显影100s,如图5(d)所示。然后电镀Cu线圈,如图5(e)所示:电流密度为5mA/cm2,并用磁力搅拌器搅拌;线圈宽度为80μm,线间距为100μm,电镀铜厚度为10μm。
(4)永磁体电镀制备
在Cu线圈制备后,再旋涂1μm厚的正胶AZ P4620,曝光200s,显影120s,如图5(f)所示。然后电镀CoNiMnP永磁材料,如图5(g)所示。电镀的永磁体阵列为3×3(3行3列),每个永磁体的横截面为300μm×300μm,阵列永磁体的间距为100μm。电镀条件:电流密度为5mA/cm2,PH值为3.5,并用磁力搅拌器搅拌。电镀液配方为:CoCl2·6H2O(24g/l),NiCl2·6H2O(24g/l),MnSO4·H2O(3.4g/l),NaH2PO2(4.4g/l),H3BO3(25g/l),NaCl(24g/l),C12H25O4NaS(0.3g/l),糖精(0.9g/l)。电镀液是上述所有成分的组合,为保证镀膜均匀致密,电镀的速率约为2μm/h。
(5)去Ti/Cu种子层
电镀永磁体后无版曝光200s,显影130s,去除残留光刻胶。在CH3COOH:H2O2:H2O=1:1:20(体积比)溶液中去除Cu种子层,然后在HF:H2O=1:60(体积比)溶液中去除Ti种子层。如图5(h)所示。
(6)制备PDMS薄膜
连线并在硅片上旋涂500μm的PDMS薄膜,然后在真空锅中抽真空30分钟以除去PDMS中气泡,最后放入70℃的烘箱中烘烤2h。取出冷凝即可得PDMS薄膜,如图5(i)所示。
(7)折叠结构构成能量采集器
从硅片上取下结构层,如图5(j)所示。将结构层折叠成正方体,并将永磁体快封入该正方体的空腔中。永磁体块可以根据需要选用,比如钕铁硼磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁、铁氧体磁铁等。正方体形状的能量采集器就此完成。
实施例2:包括如下步骤:
(1)制备Parylene薄膜
对硅片进行清洗等处理过程。在硅片上采用真空淀积的方法制备10μm的Parylene薄膜。真空120℃条件下将固体原料升华成气态,650℃条件下将气态原料裂解为具有反应活性的单体,气态单体在室温下淀积聚合生成Parylene薄膜。
(2)溅射Ti/Cu种子层
采用真空溅射的方法制备200nm的Ti/Cu种子层。在真空环境中100W功率的条件下溅射30min,可得到总厚度为200nm的Ti/Cu种子层。
(3)Cu线圈制备
在Ti/Cu种子层上旋涂10μm厚的正胶AZ P4620,曝光180s,显影100s,然后电镀Cu线圈。电镀条件:电流密度为10mA/cm2,并用磁力搅拌器搅拌。线圈宽度为100μm,线间距为200μm,电镀铜厚度为10μm。
(4)永磁体电镀制备
在Cu线圈制备后,再旋涂1μm厚的正胶AZ P4620,曝光200s,显影120s,然后电镀CoNiMnP永磁材料,电镀的永磁体阵列为3×2(3行2列),每个永磁体的横截面为200μm×200μm,阵列永磁体的间距为200μm。电镀条件:电流密度为10mA/cm2,PH值为3.6,并用磁力搅拌器搅拌。电镀液配方为:CoCl2·6H2O(24g/l),NiCl2·6H2O(24g/l),MnSO4·H2O(3.4g/l),NaH2PO2(4.4g/l),H3BO3(25g/l),NaCl(24g/l),C12H25O4NaS(0.3g/l),糖精(0.9g/l)。电镀液是上述所有成分的组合,为保证镀膜均匀致密,电镀的速率约为3μm/h。
(5)去Ti/Cu种子层
电镀永磁体后无版曝光200s,显影130s,去除残留光刻胶。在CH3COOH:H2O2:H2O=1:1:20(体积比)溶液中去除Cu种子层,然后在HF:H2O=1:60(体积比)溶液中去除Ti种子层。
(6)制备PDMS薄膜
连线在硅片上旋涂500μm的PDMS薄膜,然后在真空锅中抽真空30分钟以除去PDMS中气泡,最后放入70℃的烘箱中烘烤2个小时。取出冷凝即可得PDMS薄膜。
(7)折叠结构构成能量采集器
从硅片上取下结构层,折叠结构层使之构成正方体,并将永磁体快封入该正方体的空腔中。正方体形状的能量采集器就此完成。
实施例3:包括如下步骤:
(1)制备Parylene薄膜
对硅片进行清洗等处理过程。在硅片上采用真空淀积的方法制备10μm的Parylene薄膜。真空120℃条件下将固体原料升华成气态,650℃条件下将气态原料裂解为具有反应活性的单体,气态单体在室温下淀积聚合生成Parylene薄膜。
(2)溅射Ti/Cu种子层
采用真空溅射的方法制备200nm的Ti/Cu种子层。在真空环境中50W功率的条件下溅射1个小时,可得到总厚度为200nm的Ti/Cu种子层。
(3)Cu线圈制备
在Ti/Cu种子层上旋涂10μm厚的正胶AZ P4620,曝光180s,显影100s,然后电镀Cu线圈。电镀条件:电流密度为5mA/cm2,并用磁力搅拌器搅拌。线圈宽度为150μm,线间距为200μm电镀铜厚度为10μm。
(4)永磁体电镀制备
在Cu线圈制备后,再旋涂1μm厚的正胶AZ P4620,曝光200s,显影120s,然后电镀CoNiMnP永磁材料,电镀的永磁体阵列为2×2(2行2列),每个永磁体的横截面为200μm×200μm,阵列永磁体的间距为200μm。电镀条件:电流密度为5mA/cm2,PH值为3.5,并用磁力搅拌器搅拌。电镀液配方为:CoCl2·6H2O(24g/l),NiCl2·6H2O(24g/l),MnSO4·H2O(3.4g/l),NaH2PO2(4.4g/l),H3BO3(25g/l),NaCl(24g/l),C12H25O4NaS(0.3g/l),糖精(0.9g/l)。电镀液是上述所有成分的组合,为保证镀膜均匀致密,电镀的速率约为2μm/h。
(5)去Ti/Cu种子层
电镀永磁体后无版曝光200s,显影130s,去除残留光刻胶。在CH3COOH:H2O2:H2O=1:1:20(体积比)溶液中去除Cu种子层,然后在HF:H2O=1:60(体积比)溶液中去除Cu种子层。
(6)制备PDMS薄膜
连线在硅片上旋涂500μm的PDMS薄膜,然后在真空锅中抽真空30分钟以除去PDMS中气泡,最后放入70℃的烘箱中烘烤2个小时。取出冷凝即可得PDMS薄膜。
(7)折叠结构构成能量采集器
从硅片上取下结构层,折叠结构层使之构成正方体,并将永磁体快封入该正方体的空腔中。正方体形状的能量采集器就此完成。
上述实施例仅是为了便于说明而举例,本发明的保护范围应以权利要求书所述为准,而非仅限于上述实施例。