CN102931878A

CN102931878A - 一种多悬臂宽频mems压电俘能器

Info

Publication number: CN102931878A
Application number: CN2012104153524A
Authority: CN
Inventors: 姚峰林; 高世桥; 刘海鹏; 牛少华; 李平
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN102931878B

Abstract

本发明涉及一种多悬臂宽频MEMS压电俘能器，属于微机械电子技术领域；具体采用MEMS工艺，体硅加工成形，其结构包括微俘能器边框、主悬臂梁、多个次悬臂梁、多个下分布电极引线端、PZT压电层、多个上分布电极引线端和多根引线；各个次悬臂梁采用相同的多层矩形梁结构；微俘能器边框的中线位置制作主悬臂梁，多个次悬臂梁平均对称分布在主悬臂梁的两侧。各个次悬臂梁的顶电极层和上分布电极引线端采用引线一一对应连接，各个次悬臂梁的底电极层和下分布电极引线端采用引线一一对应连接。本发明的MEMS压电俘能器将压电材料与硅微材料进行兼容设计，扩大了微俘能器的带宽。同时，实现了多路俘能多路输出，避免了交流电相互影响。

Description

一种多悬臂宽频MEMS压电俘能器

技术领域

本发明涉及一种多悬臂宽频MEMS压电俘能器，属于微机械电子技术领域。

背景技术

新能源问题是许多领域面临的问题，微机电系统的能源也是如此。随着惯性测量技术的不断发展，独立无线使用的微惯性测量系统越来越多，如建筑物，桥梁，人行天桥的无线监控传感器，弹道简易修正用的微陀螺惯性测量组件等。这时的微惯性测量系统往往不与大系统有线相连，但又要用电。系统用的电量也许并不大，但却要长间的供电。系统本身的体积很小，所需要的空间也很小，但却离不开电源。对此，传统的供电方式产生了许多问题。

（1）由于空间狭小，而传统电池的体积相对又比较大。因此，采用传统电池供电，在空间上会大幅度限制其系统的植入。

（2）传统电池的能量密度较低。目前，电池的能量密度最大为3.78kJ/cm³左右，这就意味着一个1mW的低能耗电子器件，需要100cm³的电池才能维持能量供给。因此，当利用传统电池为微机电器件供能时，电池的这种缺陷十分明显。这在很大程度上限制了它们在整体上的实用化、微型化和集成化。如果通过对现有电源在体积上单纯缩小来完成微型化，由于能量密度较低，简单缩小后能量密度更低，寿命有限，输出总能量无法满足微机电陀螺或微系统单独供电的需求。

（3）传统电池无法长期储存。众所周知，传统化学电池即使在不使用的情况下，其能量也会随着时间逐渐释放，并且易出现漏液等现象，从而影响整个微惯性系统的可靠性和安全性。需要定期更换，更换成本相对较高，会无端增加系统的维护和使用成本，同时也会造成对环境的污染。当前，产品小型化、微型化、集成化是当今技术发展的大趋势，能源供应已成为制约产品微型化技术发展的瓶颈，其微型化问题受到广泛的重视。随着MEMS（微机电系统）电子芯片技术的发展，使各类微小传感器、微小执行器和其它微小型装置不断涌现，它们的体积远小于1cm³，寿命却达到数年甚至数十年时间，要求有相应寿命的微电源与其匹配。因此，如何向微电子产品无线供能已经成为当前迫切需要解决的问题。一种比较有效的替代传统电池的方法就是直接从环境中提取能量来供给这类器件工作，这类能无线供能的装置称为俘能器。

从20世纪90年代初，国际上也已逐步开展了针对MEMS使用的微电池研究。根据对文献资料的分析，国际上目前已开展研究的微电池主要有微型锌镍电池、微型固体电解质锂电池、微型太阳能电池、微型温差电池等。但这些电池用于微惯性系统也存在类似传统电池的问题，如微型锌镍电池、微型固体电解质锂电池也存在不能长期储存及老化等问题；微型太阳能电池及微型温差电池对使用环境的光、温度要求相对苛刻。这在很大程度上限制了微电池在微惯性系统中的使用。由于采用传统电池及微化学电池供电存在上述不足之处，因此，研究随机（伴随微机电系统）电源是一个亟待解决的现实问题。虽然现在也有各种结构形式和不同原理的俘能结构问世，但它们都没有考虑与MEMS工艺兼容、也没有考虑与MEMS芯片体积和能量匹配。

MEMS俘能技术是利用环境中的噪声或机械振动能量，并将其转换成电能的一种集成微系统。随着材料技术的发展，具有力电耦合特性的高性能压电材料使自俘能技术的实现成为可能。基于高性能压电材料的微自俘能器件具备体积小、重量轻、能量密度高、集成度高、并可与MEMS加工工艺兼容的优点。

虽然它获得的电能并不很高，一般在微瓦到毫瓦级，但经过储能和管理后不仅能满足微功耗MEMS器件的需求，也可满足整个微测量系统的能量需求。

目前常用的俘获器振动能的方式有三种如图1所示，第一种是静电式俘能UC Berkeley制作的静电式微俘能器，第二种是上海交通大学制作的电磁式微压电俘能器，第三种是法国TIMA实验室制作的微压电式俘能器。

土耳其中东技术大学的SARI所设计加工的俘能器，使用串行连接的悬臂梁在不同的自然频率悬臂阵列产生的外部振动来在宽带俘能器如图2所示。该设备在外部振动产生的4.2~5kHz频率范围内，10mV电压下，连续输出功率0.4μW，涵盖的800Hz频段。

美国圣地亚哥州立大学的Mathers et al.设计了一种以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基础层的，以PMN-PT（铌镁酸铅-钛酸铅（驰豫铁电单晶））为压电层，大小为7.4毫米×2毫米×110微米的复合悬臂梁俘能器如图3所示。振动峰峰值为1毫米时，振动频率1.3千赫时，可产生10V的电压。

National Taiwan University的S.C.Lin介绍了一种多悬臂压电MEMS俘能器，它包括四个悬臂式装置，两个d31模式的悬臂梁，和两个d33模式的悬臂梁，并制作在一个硅工艺单芯片上如图4所示。

使用了真空冷喷涂工艺制作PZT薄膜，它使用气溶胶沉积的方法来制作压电薄膜。可连接四个悬臂设备串联或并联，从而具有不同的输出特点。

但是，静电俘能器是利用其在恒定电压下电压变化会导致电荷变化来俘能的，虽然其俘能密度较高，但是由于其需要独立电源提供恒定的电压，故使用受到限制。电磁式俘能器基于磁通变化在闭合回路产生电能，虽然其俘能密度较高，但是由于其需要一个体积较大的永磁磁铁，与MEMS工艺无法兼容，故而微型化困难。压电式俘能器利用压电材料受机械振动俘能，并且压电材料能与 MEMS工艺很好的兼容，近年来，对压电俘能研究越来越受重视。

由于微器件工作环境中的噪声或机械振动几乎无处不在，日常的许多应用和建筑物旁对象的振动是低频振动，其基频是100Hz，加速度的范围是0.5～5m/s2，所以直接从环境中提取能量为微机械陀螺供能在现有技术条件下是可能的。图5所示两种常见的振动的位移和加速度，表1所示各种振动的加速度的频率值。

表1常见振动的加速度和基频

常用的微压电单悬臂梁结构如图6所示，它的频率响应带宽都较窄，如图7所示。

发明内容

本发明的目的是为提高俘能器的带宽，根据环境中的多频特性，提出一种基于MEMS工艺的多悬臂宽频压电俘能器，可以提高俘能器的带宽、能量俘获效率和环境适应性。

本发明的多悬臂宽频MEMS压电俘能器采用MEMS工艺，体硅加工成形，其结构包括微俘能器边框、主悬臂梁、多个次悬臂梁、多个下分布电极引线端、PZT（锆钛酸铅）压电层、多个上分布电极引线端和多根引线。次悬臂梁、下分布电极引线端和上分布电极引线端的数量一致，且为偶数；引线数量为次悬臂梁数量的两倍。

各个次悬臂梁的结构形状相同，采用多层矩形梁结构；多层矩形梁结构从上自下依次为顶电极层、PZT层、底电极层、上层SiO₂、Si层、下层SiO₂；矩形梁一端与主悬臂梁连接，另一端为梁的自由端；硅质量块位于自由端的下层 SiO₂下部，为长方体。

微俘能器边框为长方形，其中线位置制作主悬臂梁，多个次悬臂梁平均对称分布在主悬臂梁的两侧。微俘能器边框、主悬臂梁和次悬臂梁为MEMS体硅工艺加工。

PZT压电层位于微俘能器边框与主悬臂梁垂直的一侧边长的上表面，多个上分布电极引线端相对于主悬臂梁所在直线对称分布在PZT压电层的上表面。

多个下分布电极引线端平均对称分布在与主悬臂梁平行的微俘能器边框两侧边上。

各个次悬臂梁的顶电极层和上分布电极引线端采用引线一一对应连接，各个次悬臂梁的底电极层和下分布电极引线端采用引线一一对应连接。连接原则为距离最近、互不干扰。

多根引线采用铂、金，通过离子溅射和再刻蚀的工艺在微俘能器边框和主悬臂梁上加工制作而成。

工作过程：当微俘能器受到某一频段振动时，由于每个次悬臂梁的固有频率不同，且共振频率点接近，使得多个次悬臂梁在此振动频率段内产生谐振或接近谐振；在谐振状态时，次悬臂梁达到较大的变形，根据压电效应，在次悬臂梁的上下极板间产生电压。通过上下极板的电极引线，把实时产生的电流分别引出。同时，由于振动是连续变化的，产生的电流为交变电流，通过超低功耗电路分路整流和变压存储在超级电容或锂电池中，供其它无线传感器使用。

有益效果

本发明的MEMS压电俘能器将压电材料与硅微材料进行兼容设计，扩大了微俘能器的带宽，在200Hz~300Hz都有较大的响应；最大输出电压为0.4伏特。同时，实现了多路俘能多路输出，避免了交流电相互影响。

附图说明

图1为背景技术中不同俘能方式的俘能器；

图2为背景技术中土耳其中东技术大学的电磁式微压电俘能器；

图3为背景技术中PMN-PT单悬臂微压电俘能器；

图4为背景技术中多悬臂阵列压电梁结构的俘能器；

图5为背景技术中两种常见的振动的位移和加速度仿真图；

图6为背景技术中微压电单悬臂梁结构的俘能器；

图7为背景技术中微压电单悬臂梁结构的频率响应；

图8为本发明的多悬臂宽频MEMS压电俘能器整体结构示意图；

图9为本发明的多悬臂宽频MEMS压电俘能器中单个悬臂梁的结构示意图；

图10为具体实施方式中多悬臂宽频MEMS压电俘能器的多悬臂梁结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为A-A面剖视图，(c)为侧视图；

图11为具体实施方式中多悬臂宽频MEMS压电俘能器的底电极层引线排布图；

图12为具体实施方式中多悬臂宽频MEMS压电俘能器的顶电极层引线排布图；

图13为具体实施方式中多悬臂宽频MEMS压电俘能器电极引线多极输出排布图，其中不同字母代表不同的电极；

图14为具体实施方式中多悬臂宽频MEMS压电俘能器边框的加工掩膜图；

图15为具体实施方式中多悬臂宽频MEMS压电俘能器硅质量块加工掩膜图；

图16为具体实施方式中多悬臂宽频MEMS压电俘能器SiO₂层加工掩膜图；

图17为具体实施方式中多悬臂宽频MEMS压电俘能器Si层加工掩膜图；

图18为具体实施方式中多悬臂宽频MEMS压电俘能器底电极层加工掩膜图；

图19为具体实施方式中多悬臂宽频MEMS压电俘能器PZT层加工掩膜图；

图20为具体实施方式中多悬臂宽频MEMS压电俘能器顶电极层加工掩膜图；

图21为具体实施方式中多悬臂宽频MEMS压电俘能器多悬臂梁的谐响应仿真图，其中(a)为总谐响应图，(b)为1st梁的谐响应，(c)2nd梁的谐响应，(d)3rd梁的谐响应，(e)4th梁的谐响应，(f)5th梁的谐响应。

标号说明：1-微俘能器边框，2-次悬臂梁，3-主悬臂梁，4-下分布电极引线端，5-PZT压电层，6-上分布电极引线端，7-顶电极层，8-PZT层，9-底电极层，10-上层SiO₂，11-Si层，12-下层SiO₂，13-硅质量块。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。

本发明的多悬臂宽频MEMS压电俘能器采用MEMS工艺，体硅加工成形，如图8所示。本实施例中的结构包括微俘能器边框1、主悬臂梁3、左右对称的10个次悬臂梁2、左右对称的10个下分布电极引线端4、PZT（锆钛酸铅）压电层5、左右对称的10个上分布电极引线端6和20根引线。

各个次悬臂梁的结构形状相同，采用多层矩形梁结构，如图9所示。从上自下依次为顶电极层7、PZT层8、底电极层9、上层SiO₂10、Si层11、下层SiO₂12；矩形梁一端与主悬臂梁连接，另一端为梁的自由端；硅质量块13位于自由端的下层SiO₂12下部，为长方体。本实施例中的硅质量块13加工掩膜如图15所示。上层SiO₂10和下层SiO₂12的加工掩膜相同，如图16所示；Si层11的加工掩膜如图17所示；底电极层9加工掩膜如图18所示；PZT层8加工掩膜如图19所示；顶电极层7加工掩膜如图20所示。

主悬臂梁3、10个次悬臂梁2和微俘能器边框1形成的多悬臂梁结构如图10所示。底电极层9的引线排布如图11所示。顶电极层7的引线排布如图12所示。

微俘能器边框1为长方形，其加工掩膜如图14所示。边框的中线位置制作主悬臂梁3，主悬臂梁3的两侧各平均对称分布5个次悬臂梁2。

PZT压电层5位于微俘能器边框1与主悬臂梁3垂直的一侧边长的上表面，10个上分布电极引线端6相对于主悬臂梁3所在直线对称分布在PZT压电层5的上表面。

10个下分布电极引线端4平均对称分布在与主悬臂梁3平行的微俘能器边框1两侧边上。

10个次悬臂梁2的顶电极层7和上分布电极引线端6采用引线一一对应连接，各个次悬臂梁2的底电极层9和下分布电极引线端4采用引线一一对应连接。连接原则为距离最近、互不干扰。电极引线多极输出排布如图13所示。

20根引线采用铂、金，通过离子溅射和再刻蚀的工艺在微俘能器边框和主悬臂梁上加工制作而成。

微俘能器一般是应用于无线传感网络结点的传感器结点使用，本实施例使用Ansys有限元法中的谐响应分析来分析本发明的微俘能器结构对频率的敏感性能，使用的压电材料为PZT-5H，次悬臂梁上PZT层的长度为1600微米，PZT的宽度为200微米，PZT层的厚度为5微米。次悬臂梁前端的质量块的长度为800微米，宽度为600微米，厚度250微米。次悬臂上硅层的厚度为10微米，硅层的长度，宽度都与PZT层相同。次悬臂梁的间距500微米,主悬臂梁跟部与次悬臂梁间距离为100微米，主悬臂梁的宽为600微米，主悬臂的高度为30微米，主悬臂硅层厚度为25微米。对整个结构施加从0~500Hz加正弦激励，得到本实施例的Ansys谐响应分析结果。其应力随频率变化的仿真结果如图21所示，可以看出该俘能器的谐振频率从200~300Hz，每根梁都有较大的幅值响应。另外，该俘能器的1阶固有频率为211.15Hz，2阶固有频率为222.29Hz，3阶固有频率为257.01Hz，4阶固有频率为261.83Hz，5阶固有频率为262.17Hz，6阶固有频率为263.26Hz，从而证明该俘能器为一种多模态的宽频俘能器。在此频率范围内的环境振动的能量都可以进行收集，实现了扩大带宽，提高了微俘能器对环境的敏感性和能量采集的适应性。

Claims

1.一种多悬臂宽频MEMS压电俘能器，其特征在于：采用MEMS工艺，体硅加工成形；具体包括微俘能器边框、主悬臂梁、多个次悬臂梁、多个下分布电极引线端、PZT压电层、多个上分布电极引线端和多根引线；次悬臂梁、下分布电极引线端和上分布电极引线端的数量一致，且为偶数；引线数量为次悬臂梁数量的两倍；

各个次悬臂梁采用相同的多层矩形梁结构，从上自下依次为顶电极层、PZT层、底电极层、上层SiO₂、Si层、下层SiO₂；矩形梁一端与主悬臂梁连接，另一端为梁的自由端；硅质量块为长方体，位于自由端的下层SiO₂下部；

微俘能器边框的中线位置制作主悬臂梁，多个次悬臂梁平均对称分布在主悬臂梁的两侧；

PZT压电层位于微俘能器边框与主悬臂梁垂直的一侧边长的上表面，多个上分布电极引线端相对于主悬臂梁所在直线对称分布在PZT压电层的上表面；

多个下分布电极引线端平均对称分布在与主悬臂梁平行的微俘能器边框两侧边上；

各个次悬臂梁的顶电极层和上分布电极引线端采用引线一一对应连接，各个次悬臂梁的底电极层和下分布电极引线端采用引线一一对应连接；

多根引线通过离子溅射和再刻蚀工艺制作在微俘能器边框和主悬臂梁上。

2.根据权利要求1所述的一种多悬臂宽频MEMS压电俘能器，其特征在于：引线采用铂或金。

3.根据权利要求1所述的一种多悬臂宽频MEMS压电俘能器，其特征在于：微俘能器边框为长方形。

4.根据权利要求1所述的一种多悬臂宽频MEMS压电俘能器，其特征在于：顶电极层和上分布电极引线端，以及底电极层和下分布电极引线端按距离最近、互不干扰的原则连接。