CN103475183B - 基于mems工艺的复合式微型能量采集器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MEMS工艺的复合式微型能量采集器及其制作方法，其特征是以太阳能材料为材质、通过MEMS工艺制成振动薄膜，在振动薄膜的中心平面下方制作平面螺旋线圈，在振动薄膜的正下方、处在所述平面螺旋线圈的同轴位置上设置永磁体；用于支撑振动薄膜的振动薄膜硅片和用于支撑永磁体的永磁体硅片是通过MEMS工艺分别制作，再键合成一支撑座，支撑座是底部具有圆形通孔的开放腔，以振动薄膜和平面螺旋线圈输出采集的能量。本发明采用MEMS工艺，以太阳能材料制作振动薄膜，实现了振动能和太阳能复合式微型能量采集器，避免了单一能量采集器的使用限制。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型能量采集器及其制作方法，特别是一种基于MEMS工艺的复合式微型能量采集器及其制作方法。
背景技术
随着无线传感网络和微机电系统不断发展，如何有效地解决它们供电问题越来越受到关注。目前，给这些系统供电主要依靠电池或外部电源，但这两种供电方式在很多应用场合下并不合适。特别是对无线传感网络通讯，定期更换电池或用外部供电，显然并不现实。
能量采集器能够将环境中存在的其它形式能量转换成电能，从而为微型器件和系统提供能源。现有能量采集器大多是采集单一能量源。如公开号CN101141093A的发明专利提出了一种微型电磁式低频振动能量采集器，它采用微加工技术制造出一种基于金属平面弹簧的磁体振动式电磁式能量采集器，使其满足对低频振动能量的采集；公开号CN102522915A的发明专利提出了一种基于电磁和静电耦合的微型能量采集器，它利用电磁效应产生的输出电压供应给静电所需的外加电源，从而产生输出电压，其适用于低频振动能采集；公开号CN102437657A的发明专利提出了一种多线圈的电线能量采集器，它使用线圈式电流互感器来采集交流电线周围的电磁能。虽然这些能量采集器可以实现能量采集，但采集方式单一，振动采集频带窄，当外界振动强度不足，或外界振动频率与能量采集器频带不匹配时，能量采集器的转换效率将显著下降，影响其供电特性。而公开号CN102217185A的发明专利提出了一种能量采集器，它可以从周围环境中多个能量源采集能量，但其对不同形式能量的采集结构是各自独立，并且通过弹簧等机械结构装配为一体，导致其能量采集器的制作工艺复杂，体积大，成本高，不适合批量制作，实用价值不高。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种振动响应灵敏度高，采集频带宽并且集振动能和太阳能两种能量采集功能于一体的基于MEMS工艺的复合式微型能量采集器。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于MEMS工艺的复合式微型能量采集器，其特征是：以太阳能材料为材质、通过MEMS工艺制成振动薄膜，在所述振动薄膜的中心平面下方制作平面螺旋线圈，在所述振动薄膜的正下方，处在所述平面螺旋线圈的同轴位置上设置永磁体；用于支撑振动薄膜的振动薄膜硅片和用于支撑永磁体的永磁体硅片是通过MEMS工艺分别制作，再键合成一支撑座，所述支撑座是底部具有圆形通孔的开放腔，以所述振动薄膜和平面螺旋线圈输出采集的能量。
本发明基于MEMS工艺的复合式微型能量采集器，其特征是：所述振动薄膜是以铜铟镓硒或聚-3已基噻吩为材质；所述振动薄膜可以是平面或者是中心为平面、外围具有环形波纹结构的薄膜，所述振动薄膜的厚度为500nm-5μm。
所述振动薄膜硅片和永磁体硅片都是由厚度为250-500μm的硅片制作而成。
所述平面螺旋线圈为单层线圈或多层线圈。
所述永磁体形状可以是圆柱体或立方体，其横截面尺寸在微米量级，并小于平面螺旋线圈的最大外径。
本发明基于MEMS工艺的复合式微型能量采集器的制作方法，其特征是按如下过程进行：
制备永磁体：
a、采用热氧化工艺在永磁体硅片的上表面和下表面分别生长出厚度为1.0-1.4μm的二氧化硅薄膜；
b、采用光刻工艺将圆形通孔图形转移到永磁体硅片上表面的光刻胶层，然后采用ICP等离子体刻蚀技术进行刻蚀，形成贯穿永磁体硅片及二氧化硅薄膜的圆形通孔；
c、采用光刻工艺将永磁体横截面图形光刻到永磁体硅片上表面的光刻胶层，然后采用ICP等离子体刻蚀技术在永磁体硅片上表面的二氧化硅薄膜中刻蚀出永磁体横截面图形窗口，并继续刻蚀至在永磁体硅片内形成永磁体立体结构；
d、去除表面残余光刻胶并清洗，在永磁体硅片上表面溅射300nm的Cu/Cr种子层，再利用光刻胶对其它部位Cu/Cr种子层进行覆盖，只在永磁体立体结构所在位置处的Cu/Cr种子层上电镀永磁体材料，形成永磁体；
制作振动薄膜：
a、采用热氧化工艺在振动薄膜硅片的上表面和下表面分别生长出厚度为1.0-1.4μm的二氧化硅薄膜；
b、当所述振动薄膜是中心为平面、外围具有环形波纹结构的薄膜时，利用光刻工艺将环形波纹图形转移到振动薄膜硅片上表面的光刻胶层，然后采用ICP等离子体刻蚀技术，在振动薄膜硅片上表面的二氧化硅薄膜中刻蚀出环形波纹图形窗口，并继续刻蚀至在振动薄膜硅片内形成环形波纹立体结构；
c、利用光刻工艺将释放窗口图形转移到振动薄膜硅片下表面的光刻胶层，然后采用ICP等离子体刻蚀技术，将释放窗口图形正上方的二氧化硅薄膜刻蚀至露出振动薄膜硅片，形成释放窗口；
d、去除表面残余光刻胶并清洗，采用铜铟镓硒或聚-3已基噻吩材质在振动薄膜硅片上表面制作振动薄膜；
e、采用ICP等离子刻蚀技术释放位于释放窗口正上方的振动薄膜硅片和二氧化硅薄膜，形成振动薄膜；
f、利用铜平面线圈制作工艺在振动薄膜的中心平面下方制作平面螺旋线圈；
键合：
在振动薄膜硅片下表面的二氧化硅薄膜上溅射300nm的Cu/Cr种子层；将永磁体硅片的上表面与振动薄膜硅片的下表面中心对准并贴合，通过夹具施加压力，在150℃温度下预键合24小时，再进行渐变温度退火处理。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用MEMS工艺，以太阳能材料制作振动薄膜，实现了振动能和太阳能复合式微型能量采集器，避免了单一能量采集器的使用限制；
2、本发明采用太阳能材料制作振动薄膜，对振动响应灵敏度高，且采集频带宽；
3、本发明的复合式微型能量采集器采用了MEMS制作工艺，适合批量制作，成本低，与IC工艺能兼容。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明俯视图；
图3为本发明仰视图；
图4为本发明永磁体制作流程图；
图5为本发明振动薄膜制作流程图；
图6为本发明以铜铟镓硒为材质的振动薄膜制作流程图；
图7为本发明平面螺旋线圈制作流程图；
图8为本发明键合流程图；
图中标号：1振动薄膜、2平面螺旋线圈、3永磁体、4振动薄膜硅片，5永磁体硅片、6二氧化硅薄膜、7光刻胶、8圆形通孔、9Cu/Cr种子层、10金属背电极Mo、11吸收层CIGS、12窗口层ZnS、13减反层MgF2、14金属上电极Al/Ni。
具体实施方式
如图1所示，本实施例基于MEMS工艺的复合式微型能量采集器，其特征是：以太阳能材料为材质、通过MEMS工艺制成振动薄膜(1)，在所述振动薄膜(1)的中心平面下方制作平面螺旋线圈(2)，在所述振动薄膜(1)的正下方，处在所述平面螺旋线圈(2)的同轴位置上设置永磁体(3)；用于支撑振动薄膜(1)的振动薄膜硅片(4)和用于支撑永磁体(3)的永磁体硅片(5)是通过MEMS工艺分别制作，再键合成一支撑座，所述支撑座是底部具有圆形通孔(8)的开放腔，以所述振动薄膜(1)和平面螺旋线圈(2)输出采集的能量。
振动薄膜(1)是以铜铟镓硒(CIGS)为材质；所述振动薄膜(1)是中心为平面、外围具有环形波纹结构的薄膜，所述振动薄膜的厚度约为1.1μm。
平面螺旋线圈(2)为单层线圈。
永磁体(3)形状为圆柱体，其横截面图形直径为640μm。
振动薄膜硅片(4)和永磁体硅片(5)都是由厚度为250μm的硅片制作而成。
本实施例基于MEMS工艺的复合式微型能量采集器的制备步骤如下：
一、制备永磁体
选用P型(100)硅片作为永磁体硅片(5)，厚度为250μm，直径为10.16cm。
1.清洗永磁体硅片
首先分别用丙酮(分析纯)、乙醇(分析纯)和去离子水对永磁体硅片(5)进行超声振荡清洗5分钟；然后用空气压缩枪将硅片表面上去离子水吹尽。
2.热氧生长二氧化硅薄膜
如图4(a)所示，用热氧炉在永磁体硅片(5)上表面和下表面分别热氧生长一层厚度为1.4μm的二氧化硅薄膜(6)。
3.制备圆形通孔
(a)清洗表面已生长二氧化硅薄膜的永磁体硅片(5)，方法与清洗永磁体硅片相同。
(b)如图4(b)所示，首先永磁体硅片上表面的二氧化硅薄膜(6)表面涂覆光刻胶(7)，光刻胶厚为0.8μm，光刻胶为正胶RZJ304；然后对永磁体硅片(5)进行紫外曝光，曝光6秒，显影60秒，将圆形通孔(8)图形转移至永磁体硅片光刻胶层。
(c)如图4(c)所示，采用ICP-98A型高密度等离子体刻蚀机进行刻蚀，形成贯穿永磁体硅片及二氧化硅薄膜的圆形通孔(8)，通孔直径为50μm。
4.制备永磁体立体结构
(a)用丙酮(分析纯)去除永磁体硅片(5)表面残余光刻胶，再用去离子水清洗，最后吹干永磁体硅片表面。
(b)如图4(d)所示，首先永磁体硅片上表面的二氧化硅薄膜(6)表面涂覆光刻胶(7)，光刻胶厚为0.8μm，光刻胶为正胶RZJ304；然后对永磁体硅片(5)进行紫外曝光，曝光6秒，显影60秒，将永磁体(3)横截面图形转移到永磁体硅片上表面的光刻胶层。
(c)如图4(e)所示，采用ICP-98A型高密度等离子体刻蚀机在永磁体硅片(5)上表面二氧化硅薄膜(6)中刻蚀出永磁体(3)横截面图形窗口(直径为640μm)，并继续刻蚀至在永磁体硅片内形成永磁体立体结构，刻蚀深度为24μm。
5.电镀永磁体
(a)用丙酮(分析纯)去除永磁体硅片上表面残余光刻胶，再用去离子水清洗，最后吹干永磁体硅片表面。
(b)如图4(f)所示，首先磁控溅射一层300nm的Cu/Cr种子层(9)，再涂覆光刻胶(7)，光刻胶厚为11μm，光刻胶为正胶RZJ304。然后对永磁体硅片(5)进行紫外曝光，曝光90秒，显影120秒，暴露永磁体立体结构所在位置处的Cu/Cr种子层。
(c)如图4(g)所示，电镀CoNiMnP永磁材料，电镀的永磁体(3)厚度为150μm。电镀条件：电流密度为4mA/cm2，PH值为4.0，并用磁力搅拌机搅拌。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)。电镀速率约为2.1μm/h。
二、制作振动薄膜
1.清洗振动薄膜硅片
首先分别用丙酮(分析纯)、乙醇(分析纯)和去离子水对振动薄膜硅片(4)进行超声振荡清洗5分钟；然后用空气压缩枪将硅片表面上去离子水吹尽。
2.热氧生长二氧化硅薄膜
如图5(a)所示，用热氧炉在振动薄膜硅片(4)上表面和下表面分别热氧生长一层厚度为1.4μm的二氧化硅薄膜(6)。
3.制作环形波纹状立体结构
(a)清洗表面已生长二氧化硅薄膜(6)的振动薄膜硅片(4)，方法与清洗振动薄膜硅片相同。
(b)如图5(b)所示，首先在振动薄膜硅片(4)上表面的二氧化硅薄膜(6)表面涂覆光刻胶(7)，光刻胶厚为0.8μm，光刻胶为正胶RZJ304；然后对振动薄膜硅片(4)进行紫外曝光，曝光6秒，显影60秒，将环形波纹图形转移至光刻胶层。
(c)如图5(c)所示，采用ICP-98A型高密度等离子体刻蚀机在振动薄膜硅片(4)上表面的二氧化硅薄膜(6)中刻蚀出环形波纹图形窗口，并继续刻蚀至在振动薄膜硅片中形成环形波纹立体结构。环形波纹的立体结构的环数为5，深为6μm，宽为27μm，槽间距为23μm，波纹中心平面直径为1145μm。
4.制作释放窗口
(a)如图5(d)所示，首先在振动薄膜硅片(4)下表面的二氧化硅薄膜(6)表面涂覆光刻胶(7)，光刻胶厚为0.8μm，光刻胶为正胶RZJ304；然后对振动薄膜硅片(4)进行紫外曝光，曝光6秒，显影60秒，将释放窗口图形转移至光刻胶层。
(b)如图5(e)所示，采用ICP等离子体刻蚀机将释放窗口图形正上方的二氧化硅薄膜(6)刻蚀至露出振动薄膜硅片(4)，形成释放窗口，释放窗口图形直径为2000μm。
5.以铜铟镓硒(CIGS)为材质在振动薄膜硅片上表面制作振动薄膜
(a)用丙酮(分析纯)去除振动薄膜硅片(4)表面残余光刻胶，再用去离子水清洗，最后吹干硅片表面。
(b)如图6(a)所示，采用溅射双层Mo工艺，即先在5mTorr的Ar高气压下溅射大约50nm的Mo层,然后在2mTorr的Ar低气压下再溅射100nm的Mo层，以双Mo层作为金属背电极Mo(10)。实验采用直流磁控溅射，所用靶材为Mo靶(尺寸56mm×5mm，纯度99.9％)，溅射气体为Ar(纯度99.99％)，溅射功率为200W。靶材与基片间的距离为80mm。当真空室本底真空度达到8.0×10-4Pa时开始溅射镀膜。开始溅射镀膜前，先在纯Ar气下预溅射10分钟清洗靶材，然后开始镀膜。
(c)如图6(b)所示，采用射频溅射工艺制作吸收层CIGS(11)，所用靶材为CIGS靶(直径为56mm×5mm，纯度99.9％)，溅射气体为Ar。制作过程是在Ar气下进行，气压为3mTorr，流量为25sccm，基材温度为550℃，溅射功率为200W。制备的吸收层CIGS(11)厚度约为400nm。
(d)如图6(c)所示，采用化学水浴法制备窗口层ZnS(12)，溶液配方为：0.1mol/L ZnSO4和0.5mol/L脲硫加入65mL氨水配制成100mL溶液。沉积条件为60℃、20分钟，沉积过程中迅速搅拌均匀，沉积完后把硅片冲洗干净。制备的窗口层ZnS(12)厚度约为400nm。
(e)如图6(d)所示，采用热蒸发设备制备减反层MgF2(13)，所用源材料为MgF2颗粒。制备的减反层MgF2(13)厚度约为50nm。
(f)采用热蒸发设备制备金属上电极Al/Ni(14)
(f1)如图6(e)所示，首先在减反层MgF2(13)表面涂覆光刻胶(7)，光刻胶厚为0.8μm，光刻胶为正胶RZJ304；然后对振动薄膜硅片(4)进行紫外曝光，曝光6秒，显影60秒，将金属上电极Al/Ni(14)截面图形转移到光刻胶层。
(f3)如图6(f)所示，采用IBE-150B型离子束刻蚀机在减反层MgF2(13)刻蚀出图形窗口。
(f4)用丙酮(分析纯)去除表面残余光刻胶，再用去离子水清洗，最后吹干表面。
(f5)如图6(g)所示，利用掩膜板遮挡，首先蒸发50nm的Ni电极，增加电极与窗口层之间的牢固度，然后再蒸发3μm的Al电极。
(g)如图2所示，制作金属背电极Mo(10)引脚
(g1)首先在振动薄膜(1)表面涂覆光刻胶(7)，光刻胶厚为1μm，光刻胶为正胶RZJ304；然后对振动薄膜硅片(4)进行紫外曝光，曝光6秒，显影60秒，将金属背电极Mo(10)引脚图形转移到光刻胶层。
(g2)采用IBE-150B型离子束刻蚀机刻蚀振动薄膜(1)，刻蚀至露出振动薄膜金属背电极Mo(10)层为止。
6.体硅释放
如图5(g)所示，采用ICP-98A型高密度等离子体刻蚀机释放位于释放窗口正上方的振动薄膜硅片(4)和二氧化硅薄膜(6)，形成振动薄膜(1)。
7.制作平面螺旋线圈
采用直流溅射工艺制备，所用靶材为铜靶(直径为56mm×5mm，纯度99.9％)。平面螺旋线圈内外径分别为160μm和800μm，匝数为10，线宽为20μm，间距为10μm。
(a)利用掩膜板遮挡，在振动薄膜(1)下表面热蒸发一层50nm的减反层MgF2(13)作为绝缘层。
(b)如图7(a)所示，利用掩膜板遮挡，在振动薄膜(1)的中心平面下方位置上直流溅射一层平面螺旋线圈。
(c)利用掩膜板遮挡，在振动薄膜(1)下表面再热蒸发一层50nm的减反层MgF2(13)作为绝缘层。
(d)以正胶RZJ304为流体，采用Jetlab4以负片模式在绝缘层表面打印出线圈中心引脚截面图形。
(e)采用IBE-150B型离子束刻蚀机在绝缘层做出图形窗口，刻蚀至露出平面螺旋线圈中心引脚。
(f)用丙酮(分析纯)去除表面残余光刻胶，再用去离子水清洗，最后吹干表面。
(g)如图7(b)所示，利用掩膜板遮挡，先对准线圈中心引脚，再直流溅射线圈引线，制成平面螺旋线圈(2)。
(h)如图7(c)所示，利用掩膜板遮挡，直流溅射线圈外围引线及引脚。
三、键合工艺
1.如图8(a)所示，利用掩膜板遮挡，在振动薄膜硅片(4)下表面的二氧化硅薄膜(6)上溅射300nm的Cu/Cr种子层(9)。
2.如图8(b)所示，首先以正胶RZJ304为流体，采用Jetlab4以负片模式在永磁体硅片(5)表面的Cu/Cr种子层(9)上打印引线图形。然后采用IBE-150B型离子束刻蚀机刻蚀引线图形窗口内的Cu/Cr种子层至露出二氧化硅薄膜(6)。
3.先去除永磁体硅片(5)表面的残余光刻胶并用去离子水清洗干净，吹干表面。然后将永磁体硅片与振动薄膜硅片(4)中心对准，贴合，用夹具施加约2MPa压力。再放入烘箱中预键合24小时，烘箱温度为150℃。
4.如图8(c)所示，将预键合好的复合式微型能量采集器放入低温退火炉中进行50分钟退火处理，在高纯氮气的保护下进行渐变温度退火，氮气流量均为2L/min，退火最高温度为414℃。
振动薄膜(1)除了可以以铜铟镓硒(CIGS)为材质外，还可以以聚-3已基噻吩(P3HT)为材质；
本实施例的复合式微型能量采集器，当外界阳光照射到振动薄膜表面，由于光电效应，振动薄膜可将辐射的光能转换成电能输出，由于CIGS和P3HT薄膜太阳能材料具有高太阳光吸收率，因此，可以实现厚度仅几个微米的薄膜。
根据振动薄膜的振动响应特性，可以优化设计出具有对外界声频范围的振动极其敏感的环形波纹状振动薄膜结构，该振动薄膜可对外界环境中的微小的空气振动能产生相应的形变，并且振动响应频带宽，如在本实施例中当振动薄膜直径在2mm时，对外界振动响应的频带可以在0.1-3kHz范围，因此，该振动薄膜将可以对环境中广泛存在的音频噪音产生响应。当环境中的空气振动会引起振动薄膜沿着永磁体磁力线方向振动，薄膜振动将带动中心平面线圈上下运动，此时由于永磁体在空间形成的磁力线穿过相对运动的线圈，并且通过线圈的磁通量变化，线圈内产生感生电流形成电力输出，从而形成光能和振动能的复合采集。
在该复合式微型能量采集器的制作过程中，采用了基于硅基MEMS的制作工艺，可将器件微型化，降低器件制作成本，提高器件的可靠性，适合批量制作，能与IC工艺相兼容。
Claims (1)
1.基于MEMS工艺的复合式微型能量采集器的制作方法，其特征是：按如下过程进行：
制备永磁体：
a、采用热氧化工艺在永磁体硅片的上表面和下表面分别生长出厚度为1.0-1.4μm的二氧化硅薄膜；
b、采用光刻工艺将圆形通孔图形转移到永磁体硅片上表面的光刻胶层，然后采用ICP等离子体刻蚀技术进行刻蚀，形成贯穿永磁体硅片及二氧化硅薄膜的圆形通孔；
c、采用光刻工艺将永磁体横截面图形光刻到永磁体硅片上表面的光刻胶层，然后采用ICP等离子体刻蚀技术在永磁体硅片上表面的二氧化硅薄膜中刻蚀出永磁体横截面图形窗口，并继续刻蚀至在永磁体硅片内形成永磁体立体结构；
d、去除表面残余光刻胶并清洗，在永磁体硅片上表面溅射300nm的Cu/Cr种子层，再利用光刻胶对其它部位Cu/Cr种子层进行覆盖，只在永磁体立体结构所在位置处的Cu/Cr种子层上电镀永磁体材料，形成永磁体；
制作振动薄膜：
a、采用热氧化工艺在振动薄膜硅片的上表面和下表面分别生长出厚度为1.0-1.4μm的二氧化硅薄膜；
b、当所述振动薄膜(1)是中心为平面、外围具有环形波纹结构的薄膜时，利用光刻工艺将环形波纹图形转移到振动薄膜硅片上表面的光刻胶层，然后采用ICP等离子体刻蚀技术，在振动薄膜硅片上表面的二氧化硅薄膜中刻蚀出环形波纹图形窗口，并继续刻蚀至在振动薄膜硅片内形成环形波纹立体结构；
c、利用光刻工艺将释放窗口图形转移到振动薄膜硅片下表面的光刻胶层，然后采用ICP等离子体刻蚀技术，将释放窗口图形正上方的二氧化硅薄膜刻蚀至露出振动薄膜硅片，形成释放窗口；
d、去除表面残余光刻胶并清洗，采用铜铟镓硒或聚-3已基噻吩材质在振动薄膜硅片上表面制作振动薄膜；
e、采用ICP等离子刻蚀技术释放位于释放窗口正上方的振动薄膜硅片和二氧化硅薄膜，形成振动薄膜；
f、利用铜平面线圈制作工艺在振动薄膜的中心平面下方制作平面螺旋线圈；
键合：
在振动薄膜硅片下表面的二氧化硅薄膜上溅射300nm的Cu/Cr种子层；将永磁体硅片的上表面与振动薄膜硅片的下表面中心对准并贴合，通过夹具施加压力，在150℃温度下预键合24小时，再进行渐变温度退火处理。
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