CN102723839B - 柔性基底电磁式能量采集器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供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。所述永磁体阵列采用电镀方法制备，所述腔体优选采用折叠方式形成。本发明的能量采集器与IC工艺相兼容，可适用于需要器件变形的特殊环境；采用生物兼容性柔性材料作为柔性基底时，可以适合生物体应用，如内置生物传感器、生物医药监控和生物活体探测等。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统领域，涉及一种能量采集器及其制备方法，尤其涉及一种基于柔性基底的微机电系统电磁式能量采集器及其制备方法，可以采集环境低频运动能量。
背景技术
随着社会生产需求的不断增长及微纳技术的快速发展，大量新型微纳器件与系统不断的开发出来并被广泛应用，特别是具有生物兼容性的用于防病治病的纳米药物输运和定向治疗的微纳系统。目前这些微纳系统主要依靠电池来供电，而电池的寿命一般较短需要不断地更换。对于体积很小的微纳产品，更换电池是个复杂的操作，并可能会对产品造成不必要的损伤，特别是在人体植入式系统中，更换电池或充电更是困难并会给使用者带来很大的伤害。如果能够从环境中采集能量并转化为电能，微纳系统的供电问题就可以很好地解决了。
由于振动在工业、建筑甚至生物体中（如肢体运动、血液流动、心脏跳动等）时刻存在，所以采集环境振动的微机电系统（MEMS）电磁式能量采集器得到了国内外同行的重视。在已经开展的研究中，由于基底材料多采用硅基，加工技术多采用粘连手段将永磁体装配到能量采集器中，导致器件生物兼容性、体积、效率等方面还有较大不足。特别是用于生物体内的产品，需要良好的生物兼容性和一定的柔韧性。Jong Cheol Park等人在“Micro-FabricatedElectromagnetic Power Generator to Scavenge Low Ambient Vibration”（IEEE TRANSACTIONSON MAGNETICS,VOL.46,NO.6,JMNE 2010）中提出了一种包含永磁体NdFeB、悬臂梁、固定线圈和PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）支架结构的电磁式能量采集器，在频率为54Hz加速度为0.57g的振动下，输出功率是115.1μW，输出电压是68.2mV。IbrahimSari等人在“An electromagnetic micro energy harvester based on an array of Parylene cantilevers”（IOP JOΜRNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING 2009）中提出了一种包含固定永磁体NdFeB、Parylene悬臂梁、可动线圈的电磁式能量采集器。器件的体积为456mm3的，一个悬臂梁在频率为3.4kHz的振动下，可以产生最大功率56pW、最大电压0.67mV。Ibrahim Sari等人在“An electromagnetic micro power generator for low-freqμency environmentalvibrations based on the freqμency μpconversion techniqμe”（IEEE JOMRNAL OFMICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS,VOL.19,NO.1,FEBRMARY 2010）中提出了一种包含可动永磁体NdFeB、Parylene悬臂梁、可动线圈的电磁式能量采集器。器件的体积是148.75mm3，单个悬臂梁在频率70-150Hz的外界振动下，可以产生0.57mV，0.25nW的能量。结构较为新奇，但永磁体的粘连较困难，且输出能量太低。
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。
附图说明
图1为本发明实施例的电磁式能量采集器的立体结构示意图。
图2为图1所示电磁式能量采集器折叠前的平面示意图。
图3为图1所示电磁式能量采集器的柔性结构层的剖面示意图。
图4为图1所示电磁式能量采集器内部的永磁铁块的示意图。
图5为图1所示电磁式能量采集器的制作工艺流程图。
其中：0为硅衬底层，1为柔性基底层，2为种子层，3为光刻胶，4为平面螺旋线圈，5为光刻胶，6为永磁体阵列，7为保护层，8为永磁体块。
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。
Claims (9)
1.一种电磁式能量采集器，其特征在于，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，所述柔性基底为生物兼容性柔性聚合物。
2.如权利要求1所述的电磁式能量采集器，其特征在于，所述柔性基底为聚对二甲苯。
3.如权利要求1所述的电磁式能量采集器，其特征在于，所述永磁体阵列采用CoNiMnP永磁材料。
4.如权利要求1所述的电磁式能量采集器，其特征在于，所述腔体为正方体、长方体或四面体。
5.如权利要求1至4任一项所述的电磁式能量采集器，其特征在于，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。
6.一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，所述柔性基底层为生物兼容性柔性聚合物；
2）在柔性基底层上溅射种子层；
3）在种子层上旋涂光刻胶，进行第一次光刻；
4）在第一次光刻后的图形上电镀平面线圈；
5）在平面线圈上旋涂光刻胶，进行第二次光刻；
6）在第二次光刻后的图形上电镀永磁体阵列；
7）无掩膜曝光去种子层上的光刻胶、去除种子层；
8）连线并在步骤7）制得的硅片上覆盖保护层薄膜；
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。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，采用蒸发冷凝的方式制作所述柔性基底层，其厚度为10μm。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述种子层为Ti/Cu；所述保护层为PDMS薄膜。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过折叠或粘接方式形成所述腔体。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
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|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190627 Address after: 100871 No. 5 Summer Palace Road, Zhongguancun, Haidian District, Beijing Patentee after: Peking University Address before: 100871 Red Third Floor 105, Peking University Patentee before: Science & Technology Development Deparatment, Peking University |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20140806 Termination date: 20190528 |