CN103346252A - 基于pzt压电梁阵列的mems振动能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器，该器件由多个PZT压电梁、一个质量块和外框组成。每个PZT压电梁包括硅基底、下电极、PZT压电膜和上电极。这些压电梁的一端固定在外框上，另一端共用一个质量块，压电梁沿宽度方向排成一列，各梁之间有一定间隙。PZT压电梁通过金属线串联连接，电流由两个焊点输出。这种结构的优点：一是压电梁阵列共用一个质量块可保证结构的共振频率和振动相位相同，直接串联能提高输出电压；二是压电梁之间的间隙可以减小结构的空气阻尼，增加振动幅度；三是单个PZT压电梁的面积小，可以提高器件的成品率。本发明体积小、输出电压高，特别适合对无线传感网络节点供电。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统（MEMS）领域，特别涉及到环境振动能量获取与转换的微能源技术。
背景技术
随着IC技术、MEMS技术和无线通讯技术的发展，越来越多的微型传感器、微型执行器涌现出来。传统电池体积大、寿命短，限制了微系统的应用。微能源能够获取环境能量，并转化为电能，具有体积小、寿命长、免维护等优点，是解决上述问题的有效途径之一。基于压电效应的MEMS振动能量收集器能够将环境中的振动能转换为电能，结构简单，易于微型化及集成化，在无线传感网络、信息化武器装备、物联网和现代电子产品等微型系统领域有广泛的应用前景。
微型振动能量收集器需要通过电路管理进行整流和储能之后才可对负载供电，而电源管理电路要消耗部分电能。当能量收集器输出功率过低时，其产生电能大部分被电路消耗，难以对负载供电。
PZT压电膜压电系数高，能高效的将环境中的振动能转换为电能。但是相对介电常数较大，导致输出电压低，整流损耗较大，难以对负载供电（[1] S. C. Lin, B. S. Lee, W. J. Wu, C. K. Lee. Multi-cantilever piezoelectric MEMS generator in energy harvesting. 2009 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings.755-758.）。
发明内容：
为了提高MEMS振动能量收集器的输出电压，本发明设计了一种基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器，由PZT压电梁阵列、一个质量块和外框组成。压电梁阵列一端固定在外框上，另一端共用一个质量块。该结构可以保证压电梁的输出电压相位和共振频率的一致性，因此压电梁直接串联可提高输出电压，不会因为相位差问题而引起电压的相互抵消。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器，包括由多个压电梁组成的阵列、一个质量块和外框；这些压电梁一端固定在外框上，并沿外框的宽度方向排成一列，构成阵列，每个压电梁之间有一定的间隙，这些压电梁另一端与同一个质量块连接并悬空，即用一个质量块；PZT压电梁之间串联连接，电流由两个焊点连接导线输出。
本发明中能量收集器的压电梁阵列和质量块构为振动部件，其中压电梁中的PZT压电膜为能量转换的功能部件。在振动环境中，压电梁发生弯曲振动，在压电层中产生交变的应变，由于压电效应，上下电极间产生交流电压。压电振动能量收集器的输出电压基本上不受梁宽度的影响，因此为了提高器件的输出电压，将多个压电梁串联连接。压电梁阵列共用一个质量块就可以保证共振频率和相位相同，串联连接时各压电梁的输出电压不会抵消。压电梁之间有一定间隙，可以有效地减小结构的空气压膜阻尼，便于封装。另外由于单个PZT压电梁的压电膜的面积小，在PZT的制备、极化等过程中成品率就相对较高。
本发明具有以下特点：
1、本发明中的PZT压电梁阵列共用一质量块，可保证PZT压电梁的共振频率和相位相同，直接串联连接时各梁的输出电压不会抵消，通过串联提高能量收集器的输出电压。
2、本发明中的压电材料为PZT压电膜，机电耦合系数和压电系数高，能量转化效率高。
3、压电梁之间的间隙可以减小结构的空气阻尼，增加振动幅度。
4、单个PZT压电梁的面积小，可以提高器件的成品率。
5、本发明中的能量收集器结构简单，采用MEMS工艺进行批量化加工，成本低。
6、本发明体积小、输出电压高，特别适合对无线传感网络节点供电。
附图说明
图1是本发明基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器结构图。
图2是本发明基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器结构平面图。
图3是单个压电梁能量收集器结构示意图。由基底、PZT压电材料和上下电极组成。
图4是采用MEMS加工工艺设计的压电复合梁，包括硅基底、SiO2掩埋层、Ti/Pt层、镍酸镧(分子式LaNiO_3，简称LNO)层、Al电极和PZT压电膜。
图5是SOI衬底上生长二氧化硅和硅的示意图。
图6是在基片正面和背面淀积二氧化硅的示意图。
图7是淀积LNO层和Ti/Pt层，图形化LNO层后的示意图。
图8是生长PZT压电层，并图形化Ti/Pt电极以及PZT压电层后的示意图。
图9是生长Al上电极，图形化后的示意图。
图10 是刻蚀背面二氧化硅层后，在背面磁控溅射一层Al膜，图形化后的示意图。
图11 是在正面刻蚀的示意图。
图12 是释放后的MEMS振动压电能量收集器示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步对本发明进行说明。
参见图1和图2，本发明提出的基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器由多个PZT压电梁2、一个质量块3和硅基外框1组成。这些压电梁2的一端固定在硅基外框1上并沿宽度方向排成一列，形成阵列，各梁之间有一定间隙，形成阵列。这些PZT压电梁2的另一端共用一个质量块3。PZT压电悬臂梁2通过金属线4串联连接，电流由两个焊点连接导线5输出。
参见图4，PZT压电梁由硅基底6、SiO2掩埋层10、Ti/Pt电极7、LNO层11、Al电极9和PZT压电膜8组成，压电材料的上表面有Ti/Pt电极7、下表面有Al电极9用于收集电荷。Ti/Pt层7、LNO层11、PZT压电膜8在压电梁随外界振动发生变形时，由于压电效应将振动能转换为电能。
针对环境振动的特点，通过调节质量块3的大小和压电梁2的长度等参数，改变结构的共振频率，以接近或与环境中的振动频率保持一致。
质量块3有两个主要作用，一是调节压电梁振动频率，以接近或与环境中振动频率一致，能够高效地获取振动能；二是质量块3与各个压电梁相连，保证压电梁的共振频率和相位一致。
本发明中的振动能量收集器采用MEMS加工工艺进行制备，对SOI片进行加工。以下是一个典型的工艺流程。
(1)选取双面抛光的SOI基片作为衬底，该基片由两层单晶硅和SiO2 组成，分别为硅基底6、SiO2掩埋层10。
(2)采用热氧化法在基片上淀积厚度为0.3μm的SiO2层12。
(3)在步骤2基础上，光刻第一层掩膜版，形成下电极图形。磁控溅射一层Ti层，再溅射Pt电极，丙酮超声剥离制备Ti/Pt 电极7。Ti作为中间层，对Pt和SiO2有更好的粘附力。
(4)通过溶胶—凝胶法在Ti/Pt电极 7上覆盖一层LaNiO3(LNO) 11以及PZT压电膜 8，其中LNO用于匹配PZT的晶格。
(5)通过第二层光刻掩膜版，湿法腐蚀LNO 层11和PZT 压电膜8。
(6)磁控溅射一层Al 薄膜，通过第三层光刻掩膜版，涂胶，光刻，图形化得到上电极即Al电极9 。
(7)光刻、涂胶，通过第四层光刻掩膜版正面光刻图形，形成悬臂梁阵列结构；之后采用BHF去除SOI基片表层的SiO2 层12。背面磁控溅射法得到一层Al薄膜，作为背面ICP刻蚀的掩蔽层。
(8)正面ICP刻蚀结构层直至中间SiO2 掩埋层层10，去胶。
(9)ICP刻蚀背面硅，至中间SiO2 掩埋层层10；
(10) RIE刻蚀中间SiO2 掩埋层层10，释放结构。
Claims (3)
1.基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器，包括由多个压电梁组成的阵列、一个质量块和外框；其特征在于，这些压电梁一端固定在外框上，并沿外框的宽度方向排成一列，构成阵列，每个压电梁之间有一定的间隙，压电梁另一端与同一个质量块连接并悬空，即共用一个质量块；PZT压电梁之间是串联连接，电流由两个焊点连接导线输出。
2.如权利要求1所述的基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器，其特征在于，所述压电梁由下至上依次包括硅基底、下电极、PZT压电膜和上电极。
3.如权利要求1和2所述的基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器，其特征在于所述的PZT压电膜材料是采用溶胶—凝胶、金属有机化合物化学气相沉积、磁控溅射等MEMS加工方法制备。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20131009 |