CN102906987B - 振动发电装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种振动发电装置，其设置有：框架部；配重部，其设置在所述框架部内部；挠曲部，其接合在所述框架部与所述配重部之间，并且配置为响应于所述配重部的位移而弯曲；以及发电部，其至少位于所述挠曲部处，并且配置为响应于所述配重部的振动而产生交流电压。所述框架部和所述配重部由硅衬底形成。所述发电部在其自身表面上包括由树脂材料形成的弹性膜。所述挠曲部包括由所述树脂材料形成的所述弹性膜，所述树脂材料的杨氏模量小于形成所述框架部和所述配重部的硅的杨氏模量。

Description

振动发电装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及配置为通过MEMS(微机电系统)技术来将振动能转换成电能的振动发电装置及其制造方法。

背景技术

现有的发电装置是一种将来自诸如车或人的运动等振动的振动能转换成电能的MEMS装置。已经对这样的发电装置进行了研究(例如，R.vanSchai jk等人的“Piezoelectric ALN energy harvesters for wireless autonomoustransducer solution”，IEEE SENSORS 2008Conference，2008，p.45-48(以下称为“文献1”))。

如图6中所示，文献1中所描述的发电装置包括主衬底4、第一盖衬底5和第二盖衬底6。主衬底4具有框架部(frame section)1和配重部(weightsection)3，配重部3通过框架部1内部的挠性挠曲部2可摆动地支撑，并且由用于元件形成的衬底形成。第一盖衬底5由用于第一盖形成的衬底形成，并且框架部1粘贴至主衬底4的一个表面侧。第二盖衬底6由用于第二盖形成的衬底形成，并且框架部1粘贴至主衬底4的另一表面侧。用于响应于配重部3的振动而产生的交流电压的发电部7形成在主衬底4的挠曲部2上。发电部7还具有下部电极8、压电层9和上部电极10的叠层结构。

然而，这种单片发电装置存在输出较小的问题。由于配重部3的硅密度与金属材料相比相对较小，并且配重部3的硅杨氏模量大于金属材料的杨氏模量，因此，配重部3并没有响应于外部振动而充分振动。

发明内容

鉴于上述背景技术而提供了本发明，并且目的是提供一种能有效地将外部振动传递至配重部的振动发电装置及其制造方法。

为了解决上述问题，本发明的振动发电装置包括：框架部；配重部，其位于所述框架部的内部；挠曲部，其接合在所述框架部与所述配重部之间，并且被配置为响应于所述配重部的位移而弯曲；以及发电部，其至少位于所述挠曲部处，并且被配置为响应于所述配重部的振动而产生交流电压。所述框架部和所述配重部由硅衬底形成。所述挠曲部包括由树脂材料形成的弹性膜，所述树脂材料的杨氏模量小于形成所述框架部和所述配重部的硅的杨氏模量。由所述树脂材料形成的弹性膜被设置在所述发电部的表面上。优选地，所述挠曲部仅由所述弹性膜组成，或者所述挠曲部仅由所述弹性膜和相对于所述硅衬底的蚀刻停止层组成，并且所述蚀刻停止层形成在所述硅衬底上并且被设置在所述发电部的另一表面上，所述发电部在其所述表面上设置有所述弹性模。

在所述振动发电装置中，优选的是形成所述弹性膜并将其延伸至所述配重部。

在制造振动发电装置的方法中，优选的是所述框架部和所述配重部由形成有蚀刻停止层的硅衬底形成，并且通过蚀刻所述硅衬底直至到达所述蚀刻停止层来形成所述挠曲部。

在本发明的振动发电装置中，所述挠曲部包括由所述树脂材料形成的所述弹性膜，所述树脂材料的杨氏模量小于形成所述框架部和所述配重部的硅的杨氏模量。由此，所述发电装置可以响应于加速度相对较低的外部振动而得到大的输出，并且可以通过所述弹性膜防止由所述配重部的振动所致的所述挠曲部的破裂。

附图说明

现在将进一步详细描述本发明的优选实施例。根据以下详细描述和附图，将会更好地理解本发明的其它特征和优点，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的振动发电装置的示意性分解透视图；

图2是根据本发明的实施例的振动发电装置的硅衬底区域的示意性平面图；

图3A是沿图2的线A-A'截取的硅衬底区域的截面图以及根据本发明的实施例的振动发电装置的弹性膜区域的示意性平面图，并且图3B是沿图2的线A-A'截取的修改的硅衬底区域的截面图以及根据本发明的实施例的振动发电装置的修改的弹性膜区域的示意性平面图；以及

图4是根据本发明的实施例的振动发电装置的示意性分解透视图；

图5示出了图2的A-A'中的截面图，用于解释制造根据本发明的实施例的振动发电装置的硅衬底区域的方法中的主要工艺；

图6是作为现有技术的振动发电装置的示意性截面图。

具体实施方式

图1-4示出了根据本发明的实施例的振动发电装置。振动发电装置至少包括框架部11、配重部12、挠曲部13和发电部18。配重部12设置在框架部11内部。挠曲部13接合在框架部11与配重部12之间，并且适合于响应于配重部12的位移而弯曲。发电部18至少位于挠曲部13上，并且配置为响应于配重部12的振动而产生交流电压。框架部11和配重部12由硅衬底形成。由树脂材料制成的弹性膜20形成在发电部18的表面上。挠曲部13包括弹性膜20，弹性膜20由杨氏模量小于形成框架部11和配重部12的硅的杨氏模量的树脂材料制成。还形成弹性膜20，并且将其延伸至配重部12。

如图5中所示，在制造振动发电装置的方法中，框架部11和配重部12由形成有蚀刻停止层(将要描述的二氧化硅膜36)的硅衬底25形成。通过蚀刻硅衬底25直至到达蚀刻停止层来形成挠曲部13。

硅衬底25具有第一和第二表面，并且发电部18形成在第一表面侧上。从第一表面侧，硅衬底25设置有二氧化硅膜36、发电部18以及由杨氏模量小于硅的杨氏模量的树脂材料制成的弹性膜20。在实施例中，框架部11和配重部12主要由硅衬底25、二氧化硅膜36和弹性膜20形成，而挠曲部13则主要由弹性膜20形成。优选的是，应当去除图3A和图3B中所示的每个二氧化硅膜36。简言之，本发明的挠曲部13包括弹性膜20或者包括弹性膜20以及相对于硅衬底25的蚀刻停止层，并且该蚀刻停止层形成在硅衬底25上并且被设置在发电部18的另一表面上。因此，本发明的挠曲部可以包括蚀刻停止层。

如图1中所示，振动发电装置具有固定至硅衬底25的第一表面中的框架部11的第一盖衬底29。振动发电装置还具有固定至硅衬底25的第一表面的相对侧上的第二表面中的框架部11的第二盖衬底30。第一和第二盖衬底29和30由硅、玻璃等形成。因此，在图1的示例中，振动发电装置由硅衬底25、第一盖衬底29和第二盖衬底30形成。

现在将以实施例的方式详细解释振动发电装置及其制造方法。

如图2中所示，在平面视图中框架部11的外部形式是矩形形状。如同框架部11的外部形式一样，在平面视图中形成在框架部11内部的配重部12和挠曲部13的外部形式也是矩形形状。在平面视图中位于挠曲部13上的发电部18的外部形式是沿挠曲部13的外部形式的矩形形状。换言之，配重部12包括第一端部和第二端部，并且分别在第一端部和第二端部具有自由端部和支撑端部。支撑端部通过挠曲部13，由作为框架部11的支撑部的部分来支撑。在图3的示例中，框架部11是具有矩形孔的矩形框架，配重部12是放置在框架部11内部的矩形板的形状。在纵向方向上，上述的第一和第二端部对应于配重部12的两个端部。弹性膜20还至少形成在配重部12的支撑端部的边缘与框架部11的支撑部的边缘之间。

振动发电装置包括发电部18，发电部18形成在硅衬底25的第一表面侧上形成的二氧化硅膜36的表面上。即，从二氧化硅膜36的表面侧按顺序堆叠下部电极15、压电层16和上部电极17，并构成发电部18。在二氧化硅膜36的所述表面侧中，下部和上部电极15和17分别形成有由金属配线形成的连接配线31a和31c。在二氧化硅膜36的所述表面侧中，还形成了通过连接配线31a和31c电连接的下部和上部电极焊盘32a和32c。

设计发电部18，以使得下部电极15的平坦表面具有最大尺寸，压电层16的平坦表面具有的第二大尺寸，并且上部电极17的平坦表面具有最小尺寸。在实施例中，在平面视图中，压电层16和上部电极17分别位于下部电极15和压电层16的外周边缘的内侧。

如图3A中所示，弹性膜20可以由树脂材料形成，使得它覆盖硅衬底25的全部第一表面侧。在此情况下，在对应于下部和上部电极焊盘32a和32c的位置处，弹性膜20形成有贯通孔23，以便从焊盘获得交流电压，并且金属膜形成在贯通孔23中。还采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯树脂)、聚酰亚胺等作为树脂材料。此外，如图3B中所示，弹性膜20必须至少覆盖发电部18。在此情况下，如果下部和上部电极焊盘32a和32c暴露在表面处，就不需要贯通孔23。在平面视图中，贯通孔23的每种形式可以是四边形、圆形或等形状，并且只要可以设置配线就不限于此。

如图4中所示，通过从上述的二氧化硅膜36的所述表面侧按顺序堆叠下部电极15、压电层16和上部电极17来形成发电部18。至少从框架部11与挠曲部13之间的边界直到配重部12和挠曲部13之间的边界形成发电部18。因为不存在对发电部18的振动的发电无贡献的部分，所以如果发电部18与框架部11与挠曲部13之间的边界对齐，就提高了发电能力。

用于防止电连接至上部电极17连接配线31c与下部电极15之间的短路的绝缘部35形成在硅衬底25的第一表面侧上，以使得其在框架部11侧覆盖下部电极15和压电层16的端部。绝缘部35由二氧化硅膜形成，但不限于二氧化硅膜。绝缘部可以由氮化硅膜形成。MgO层的晶种层(未示出)形成在硅衬底25与下部电极15之间。二氧化硅膜36和37分别形成在硅衬底25的第一和第二表面侧上。此外，在实施例中，硅衬底25的衬底材料是硅，因此在硅衬底的第一表面上的二氧化硅膜36是蚀刻停止层。当形成挠曲部13时，通过蚀刻去除硅衬底的对应于挠曲部13的所有部分。配线图案和发电部18形成在硅衬底25上，但是覆盖有弹性膜20，因此在平面视图中不可见。弹性膜20在对应于下部和上部电极32a和32c的位置处设置有贯通孔23，以便从焊盘获得交流电压。

第一盖衬底29具有第一和第二表面，并且第一盖衬底29的第二表面接合至硅衬底25的第一表面侧。在硅衬底25的一侧中的第二表面的一部分处，第一盖衬底形成有作为由配重部12和挠曲部13形成的可移动部的第一凹部38的位移空间。

用于将在发电部18产生的交流电压供应至外部的输出电极40和40形成在第一盖衬底29的第一表面侧上。输出电极40和40通过贯通孔配线42和42电连接至形成在第一盖衬底29的第二表面侧上的耦合电极41和41，贯通孔配线42和42分别穿透并设置在第一盖衬底29的厚度方向上。在此情况下，第一盖衬底29的耦合电极41和41分别耦合至并电连接至硅衬底25的下部和上部电极32a和32c。此外，每个输出电极40和40与耦合电极41和41均由Ti膜和Au膜的叠层膜形成，但并不特别地限于材料和层状结构。此外，采用Cu来作为贯通孔配线42和42的各个材料，但并不限于此。例如，可以采用Ni、Al等。

在本实施例中，当采用硅衬底来作为第一盖衬底29时，形成第一盖衬底29，为了防止两个输出电极40和40之间的短路，从而在第一盖衬底29的第一和第二表面侧上以及其内部形成有贯通孔配线42和42的贯通孔44和44的内周表面上形成绝缘膜43。此外，当采用诸如玻璃衬底等绝缘衬底来作为第一盖衬底29时，不需要这样的绝缘膜43。

第二盖衬底30具有第一和第二表面，并且第二盖衬底30的第一表面接合至硅衬底25的第二表面侧。作为第二凹部39，在第二盖衬底30的第一表面上形成由配重部12和挠曲部13形成的可移动部的位移空间。可以采用诸如玻璃衬底等绝缘衬底来作为第二盖衬底30。

第一盖衬底29通过粘合剂等接合至包括弹性膜20的硅衬底25。通过常温接合工艺来接合硅衬底25和第二盖衬底30，但并不限于常温接合工艺。例如，可以通过阳极接合工艺或者使用环氧树脂的树脂粘合工艺等来接合它们。此外，通过用于MEMS装置的制造技术等来形成本实施例的振动发电装置。

在上述实施例的振动发电装置中，由于发电部18由下部电极15、压电层16和上部电极17形成，所以压电层16接收到由挠曲部13的振动的应力，并且在下部和上部电极15和17中产生电荷偏压，且在发电部18产生交流电压。

在此情况下，根据P∝e²/ε的关系，发电效率随着P变大而进一步增大，其中P、e和ε分别是用于振动发电装置的压电层16的压电材料的发电指数、压电常数和相对介电常数。考虑到作为用于振动发电装置的常用压电材料的PZT和AlN中的每一个的压电常数e和相对介电常数ε的一般值，可以通过采用压电常数e较大且以平方贡献于发电指数P的PZT来增大发电指数P。在本实施例的振动发电装置中，采用铅基压电材料类型的PZT来作为压电层16的压电材料，但是本实施例并不限于PZT。例如，可以采用PZT-PMN(:Pb(MN,Nb)O₃)或掺杂有其它不纯物质的PZT。然而，压电层16的压电材料并不限于铅基压电材料。也可以采用其它压电材料。

参照图5解释制造本实施例中的振动发电装置的方法。图5A-H示出了对应于沿图2中的线A-A'截取的截面的区域。

首先，通过热氧化法等分别在由硅制成的硅衬底25的第一和第二表面侧上形成二氧化硅膜36和37，来执行绝缘膜形成工艺，从而得到图5A中所示的结构。具体而言，(第一)二氧化硅膜36形成在硅衬底25的全部第一表面上，而(第二)二氧化硅膜37形成在除了挠曲部13的形成区域外的硅衬底25的第二表面上。

然后，通过溅射技术、CVD法等在硅衬底25的全部第一表面上形成Pt层的金属层50，来执行金属层形成工艺，其中金属层成为下部电极15、连接配线31a和下部电极焊盘32a的基础。然后，通过溅射技术、CVD法、溶胶凝胶法等在全部金属层50上形成压电膜51(例如，PZT膜等)，来执行压电膜形成工艺，其中压电膜成为由压电材料(例如，PZT等)制成的压电层16的基础。由此，得到了图5B中所示的结构。然而，金属层50并不限于Pt层。例如，金属层可以是Al层或Al-Si层，或者可以由Pt层和插置在Pt层与籽晶层之间用于提高粘合的Ti层形成。粘合层的材料并不限于Ti。材料也可以是Cr、Nb、Zr、TiN、TaN等。

在压电膜形成工艺之后，通过光刻技术和蚀刻技术对压电膜51进行构图来执行压电膜构图工艺，以形成由压电膜51的一部分形成的压电层16，从而得到图5C中所示的结构。

然后，通过光刻技术和蚀刻技术对金属层50进行构图来执行金属层构图工艺，以形成由金属层50的一部分形成的下部电极15、连接配线31a和下部电极焊盘32a，从而得到图5D中所示的结构。在本实施例中，通过在金属层构图工艺中对金属层50进行构图来与下部电极15一起形成连接配线31a和下部电极焊盘32a，但本实施例并不限于此。也可以在通过在金属层构图工艺中对金属层50进行构图来仅形成下部电极15之后，再进一步提供用于形成连接配线31a和下部电极焊盘32a的配线形成工艺。可以分别地提供用于形成连接配线31a的连接配线形成工艺和用于形成下部电极焊盘32a的下部电极焊盘形成工艺。此外，例如可以通过RIE法、离子铣削法等来蚀刻金属层50。

在通过上述金属层构图工艺形成下部电极15、连接配线31a和下部电极焊盘32a之后，通过在衬底25的第一表面侧上形成绝缘部35来执行绝缘部形成工艺，从而得到图5E中所示的结构。在绝缘部形成工艺中，通过CVD法等在衬底25的全部第一表面侧上形成绝缘层，随后通过光刻技术和蚀刻技术来对其进行构图，但是也可以通过剥离工艺来形成绝缘部35。

在上述绝缘部形成工艺之后，例如通过诸如EB蒸镀法、溅射技术或CVD法等薄膜形成技术、光刻技术和蚀刻技术形成上部电极17来执行上部电极形成工艺，同时通过诸如EB蒸镀法、溅射技术或CVD法等薄膜形成技术、光刻技术和蚀刻技术来执行配线形成工艺，从而得到图5F中所示的结构。换句话说，在本实施例中，在上部电极形成工艺中，与上部电极17一起形成连接配线31c和上部电极焊盘32c，但本实施例并不限于此。也可以分别执行上部电极形成工艺和配线形成工艺。此外，在配线形成工艺中，可以分别执行用于形成连接配线31c的连接配线形成工艺和用于形成上部电极焊盘32c的上部电极焊盘形成工艺。优选地，通过诸如RIE法等干法蚀刻来蚀刻上部电极17，但是也可以采用湿法蚀刻。例如，可以分别利用碘化钾溶液和过氧化氢溶液来湿法蚀刻Au膜和Ti膜。上部电极17由Pt、Al、Al-Si等形成。

在形成上部电极17、连接配线31c和上部电极焊盘32c之后，通过旋涂法和光刻技术在硅衬底25的全部第一表面侧上形成由树脂材料制成的弹性膜20。从而得到了图5G中所示的结构。

在弹性膜形成工艺之后，通过光刻技术、蚀刻技术等形成框架部11、配重部12和挠曲部13来执行衬底制造工艺，从而得到图5H中所示的结构。在衬底制造工艺中，通过光刻技术和蚀刻技术从第二表面侧蚀刻硅衬底25直至到达二氧化硅膜36以去除除框架部11和配重部12以外的部分，执行用于形成背面槽(back groove)的背面槽形成工艺。然后，蚀刻二氧化硅膜36以穿透二氧化硅膜36，从而形成框架部11、配重部12和挠曲部13。在此情况下，也通过蚀刻去除了二氧化硅膜37。通过执行蚀刻工艺，得到了图5H中所示的振动发电装置。

在本实施例中的衬底制造工艺的背面槽形成工艺中，通过能垂直深蚀刻的感应耦合等离子体(ICP)型的蚀刻设备蚀刻硅衬底25，因此可以使二氧化硅膜36的背面侧与框架部11的内周面之间的角大约为90°。然而，衬底制造工艺的背面槽形成工艺并不限于通过ICP型干法蚀刻设备的干法蚀刻。只要高各向异性蚀刻是可能的，就可以使用另外的干法蚀刻设备。在硅衬底25的第一表面是(110)表面的情况下，可以使用使用诸如TMAH溶液或KOH溶液等碱性溶液的湿法蚀刻(晶体各向异性蚀刻)。

在本实施例的振动发电装置中，以晶片为单位执行直到衬底制造工艺结束的工艺，然后执行切割工艺，由此将每个晶片分割为单独的发电装置。

在本实施例中，提供第一和第二盖衬底29和30，因此在用于形成挠曲部13的蚀刻工艺之后，执行用于接合每个盖衬底29和30的盖接合工艺。在此情况下，以晶片为单位执行直到盖接合工艺结束的工艺，然后执行切割工艺，由此将每个晶片分割为单独的发电装置。这里需要的是通过任意运用诸如光刻工艺、蚀刻工艺、薄膜形成工艺、镀覆工艺等已知工艺来形成每个盖衬底29和30。

在发电部18中，压电层16形成在下部电极15上，但是可以通过制造缓冲层(未示出)来进一步提高压电层16的结晶度，所述缓冲层作为当形成压电层16时插置在下部电极15与压电层16之间的基础。可以采用诸如SrRuO₃、(Pb,Ra)TiO₃、PbTiO₃等导电性氧化物材料来作为缓冲层材料。

例如，振动发电装置可以是设置在二维阵列中的阵列振动发电装置。

因此，在本实施例的振动发电装置中，框架部11和配重部12由硅衬底25形成。在其自身表面上，发电部18设置有由树脂材料制成的弹性膜20。挠曲部13包括由杨氏模量小于形成框架部11和配重部12的硅的杨氏模量的树脂材料形成的弹性膜20。由此，发电装置可以响应于加速度相对较低的外部振动而得到大的输出，并且可以通过弹性膜20防止由配重部12的振动所致的挠曲部13的破裂。

在本实施例的振动发电装置中，形成弹性膜20直至配重部12。从而，可以通过增大配重部12的质量同时防止由配重部12的振动所致的挠曲部13的破裂而得到较大的输出。

在振动发电装置、制造本实施例中的振动发电装置的方法中，框架部11和配重部12由形成有蚀刻停止层的硅衬底形成，并且通过蚀刻硅衬底25直至到达蚀刻停止层来形成挠曲部13。由此，可以使用相对廉价的硅，并且因此可以生产振动发电装置而无需复杂的工艺。

尽管已经参照特定优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的真实精神和范围(即权利要求)的情况下而作出许多修改和变型。

Claims (5)

1.一种振动发电装置，包括：

框架部；

配重部，其位于所述框架部的内部；

挠曲部，其接合在所述框架部与所述配重部之间，并且被配置为响应于所述配重部的位移而弯曲；以及

发电部，其至少位于所述挠曲部处，并且被配置为响应于所述配重部的振动而产生交流电压，

其中，所述框架部和所述配重部由硅衬底形成，

其中，所述挠曲部包括由树脂材料形成的弹性膜，所述树脂材料的杨氏模量小于形成所述框架部和所述配重部的硅的杨氏模量，

其中，由所述树脂材料形成的所述弹性膜被设置在所述发电部的表面上。

2.根据权利要求1所述的振动发电装置，其中，所述挠曲部仅由所述弹性膜组成，或者所述挠曲部仅由所述弹性膜和相对于所述硅衬底的蚀刻停止层组成，所述蚀刻停止层形成在所述硅衬底上并且被设置在所述发电部的另一表面上，所述发电部在其所述表面上设置有所述弹性模，

所述配重部包括第一端部和第二端部，并且所述配重部分别在所述第一端部和所述第二端部具有自由端部和支撑端部，所述支撑端部通过所述挠曲部由作为所述框架部的支撑部的部分来支撑。

3.根据权利要求1或2所述的振动发电装置，其中，形成所述弹性膜并且所述弹性膜延伸至所述配重部。

4.一种制造根据权利要求1或2所述的振动发电装置的方法，

其中，所述框架部和所述配重部由形成有蚀刻停止层的硅衬底形成，并且

其中，通过蚀刻所述硅衬底直至到达所述蚀刻停止层来形成所述挠曲部。

5.一种制造根据权利要求3所述的振动发电装置的方法，

其中，所述框架部和所述配重部由形成有蚀刻停止层的硅衬底形成，并且

其中，通过蚀刻所述硅衬底直至到达所述蚀刻停止层来形成所述挠曲部。