CN103523737A - 基于mems的叉指间隙梁结构能量收集器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
基于
MEMS
的叉指间隙梁结构能量收集器及其制作方法。
目前，
MEMS
技术能量回收研究过程中，面临的微米尺度空隙悬臂梁上
PZT
薄膜制备难题，对实现能量收集器批量化生产存在制约。本发明方法包括：顶层
PZT
复合膜梁和两个底层支撑硅梁，所述的顶层
PZT
复合膜梁和底层支撑硅梁的两端分别连接质量块和固定块；其中，所述的顶层
PZT
复合膜梁包括
PZT
梁层，以及与所述的
PZT
梁层的上下层分别连接的上金属电极和下金属电极。本发明用于微电子机械器件。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器及其制作方法。
背景技术：
微电子技术飞速发展使得芯片功耗足够小，已达到纳、微瓦量级水平，组成的芯片级集成微系统也在微、毫瓦量级，随着这些微系统应用领域的拓展，与之配套的电能提供问题成为制约其进一步发展的关键。这些系统需要自供给、免维护的供电方式进行工作，以彻底摆脱电源线以及可充电电池的束缚。为解决微系统供能的瓶颈问题，开展从环境中获取能量进而转换为电能的能量收集器研究，此项研究具有十分重要的应用价值。能量收集是指从日常环境中存在的光照、化学、温度梯度、机械振动获取能量，进而转换成电能。在上述涉及的各种形式的能源中，振动能具有存在范围广、能量密度高、局限小等优点，成为能量回收转换研究的重点。
目前，MEMS技术能量回收研究过程中，面临的微米尺度空隙悬臂梁上PZT薄膜制备难题，对实现能量收集器批量化生产存在制约。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器及其制作方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器，其组成包括：顶层PZT复合膜梁，所述的顶层PZT复合膜梁下方具有两个底层支撑硅梁，所述的顶层PZT复合膜梁和底层支撑硅梁的两端分别连接质量块和固定块；其中，所述的顶层PZT复合膜梁包括PZT梁层，以及与所述的PZT梁层的上下层分别连接的上金属电极和下金属电极。
所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器，所述的顶层PZT复合膜梁的宽度与两个底层支撑硅梁的宽度之和等于所述的质量块的宽度；所述的两个底层支撑硅梁间空隙的宽度与所述的顶层PZT复合膜梁的宽度相同。
一种基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，首先，利用PZT薄膜制备方法和MEMS体硅方法，将矩形硅基上刻蚀出立体间隙空腔结构，并使上下两层结构形成空隙悬臂梁结构，制备成顶层PZT复合膜梁和两个底层支撑硅梁的立体空隙硅梁结构；之后，将振动源对顶层PZT复合膜产生的大部分机械能转化为有效电能输出，并提高响应频率；同时，通过调整顶层PZT复合膜梁自由端上质量块的形状，调整顶层PZT复合膜梁与底层支撑硅梁之间的距离，实现叉指梁结构能量收集器谐振频率范围和扩大器件频响范围的调整。
所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，所述的PZT薄膜制备方法是，选用厚度为330 
-550的SOI硅片并且其中间二氧化硅层厚度为1微米，首先在其上淀积厚度分别为250纳米和20纳米的Cr和Au作为下金属电极；第二，利用溶胶-凝胶方法制作PZT材料并将其旋涂在所述的下金属电极处；第三，采用相同淀积方法再在所述的SOI硅片另一面淀积Cr和Au形成上金属电极；第四，在PZT材料两侧自顶向下采用干法刻蚀，形成100微米厚的底层支撑梁，再利用背面刻蚀技术，形成5微米厚的顶层PZT复合膜梁；第五，在顶层PZT复合膜梁和底层支撑梁之间形成空隙层，同时形成固定端和质量块。
所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，所述的溶胶-凝胶制备方法是，首先将0.5摩尔的硝酸锆(Zr(NO3)4·5H2O)溶于3.5摩尔的乙二醇单甲醚 (CH3OCH2CH2OH)溶液中直至澄清透明；同时将钛酸四正丁脂(Ti(OC4H9)4)溶于乙二醇单甲醚 (CH3OCH2CH2OH)溶液中，并加入乙酰丙酮(CH3COCH2COCH3)作为稳定剂充分混合；之后将硝酸锆(Zr(NO3)4·5H2O)和钛酸四正丁脂(Ti(OC4H9)4)的两种先驱溶液混合，并在80℃条件下充分搅拌回流50分钟后，将醋酸铅和醋酸的混合溶液加入两种先驱混合溶液中，加入一定量的H2O，在85℃下充分搅拌回流80分钟，制得澄清透明的淡黄色溶胶。
所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，在Cr/Au金属层上增加PT过渡层，首先，通过匀胶机在Au/Cr/ Si衬底上涂覆一层澄清PT溶胶形成PT湿凝胶膜；然后，将PT湿凝胶膜放入高温炉中，在300℃-350℃热解干燥处理5分钟后形成干凝胶膜，再经650℃-700℃处理1-3分钟形成结晶化的PT种子层，之后，在PT种子层上涂覆一层PZT溶胶后，放入高温管式炉中450℃下热解干燥处理30分钟；如此重复交替涂覆PZT膜5-8次，当膜厚达到所需厚度时，经700℃处理5-15分钟形成PZT膜；最后，再按照第一步制备PT薄膜的方法，在顶层PZT复合膜上制备一或二层PT膜，使其表面更加平整并提高PZT膜的结晶化程度和电学性质。
所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，根据环境中振动源频率的不同，制备叉指间隙梁结构能量收集器阵列，主动匹配目标频率或多频率响应，完成能量转换，扩大环境频率耦合范围；另外，在特殊需要的场合可利用超声主动供能方式完成高频响应下器件能量供给。
有益效果：
1. 本发明设计制作的叉指间隙梁结构能量收集器与其它振动能量收集器相比，具有顶层PZT复合膜梁和两个底层支撑硅梁的双层结构，整个能量收集器的制作工艺简单，更适于能量收集器的微型化、集成化以及批量生产；本发明的关键是利用MEMS工艺制备叉指间隙梁结构，使悬臂梁的结构多层化，从原来的单层结构增加到两层，形成上下层间空隙的同时，底层间还可形成一个空隙，形成三叉结构。上下层间空隙降低中性层的位置，调整器件整体厚度，增大器件的刚度，提高能量输出效率，而底层间的空隙则增加了器件的稳定性。同时，还能够通过设计质量块形状调整谐振频率，提高能量收集器固有谐振频率。
2. 本发明采用MEMS工艺手段研制的叉指间隙梁结构能量收集器采用溶胶-凝胶技术制备PZT材料，具有工艺简单、与硅基衬底兼容性好的特点。通过增加PT过渡层，提高压电模式下d31系数，减小介电常数，保证器件在剪切模式下，PZT材料有更匹配的压电特性，提高输出能量效率。
3. 本发明采用半导体微机械加工工艺，具有结构和工艺简单可批量生产，功耗低等优点，可以根据环境中振动源频率的不同，制备叉指间隙梁能量收集器阵列，主动匹配目标频率或多频率响应，完成能量转换，扩大拓宽环境频率耦合范围；在振动能源不足的情况下，通过调节系统参数，提高频响范围，利用超声主动供能方式完成高频响应下器件能量供给，从而实现器件的实用意义上的自供能、免维护功能。通过调整参数，叉指间隙梁能量收集器阵列可以在低频段发生谐振响应，也可以在高频段发生谐振响应，实现宽频段响应，利于MEMS器件集成化、便携化的发展。
利用基于MEMS技术制备的采集环境振动能量，MEMS结构的能量收集器具有体积小、可与集成微系统兼容的特点，可以实现自供能、免维护的供电方式，不仅在国防军事具有重要的意义，在国民经济的其他领域也具有重大应用价值。在众多微型压电能量收集器的热点问题中，与微系统结构和尺度相匹配的问题是提高系统能量转换效率和输出效率、复合PZT薄膜制备、PZT薄膜制备工艺与MEMES工艺兼容等问题。利用薄膜技术制备硅基一体化的具有复合膜结构的能量收集器，可以提高PZT材料与衬底间的附着力，同时解决微米尺度空隙悬臂梁上PZT薄膜的制备难题，实现能量收集器批量化生产，具有很好的发展前景。
附图说明：
附图1是本发明涉及的叉指间隙梁结构能量收集器的整体结构示意图。
附图2是本发明涉及的顶层PZT复合膜梁的剖面结构示意图。
附图3是本发明涉及的叉指间隙梁结构能量收集器发生时S形弯曲变形时的结构示意图。
附图4是本发明涉及的叉指间隙梁结构能量收集器发生纯弯曲变形时的结构示意图。
具体实施方式：
实施例1：
一种基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器，其组成包括：顶层PZT复合膜梁1，所述的顶层PZT复合膜梁下方具有两个底层支撑硅梁2，所述的顶层PZT复合膜梁和底层支撑硅梁的两端分别连接质量块3和固定块4；其中，所述的顶层PZT复合膜梁包括PZT梁层5，以及与所述的PZT梁层的上下层分别连接的上金属电极6和下金属电极7。
当器件发生振动时，梁发生S形弯曲（附图3）和纯弯曲（附图4），S形弯曲时，由于材料的不同，上下梁的应力不同，弯曲程度也不同，PZT梁弯曲程度更大，导致产生电荷量增多，转换效率更高，底部双梁的结构保证了器件整体稳定性，当器件受到较大冲击力时，具有一定的保护作用。
实施例2：
实施例1所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器，所述的顶层PZT复合膜梁的宽度与两个底层支撑硅梁的宽度之和等于所述的质量块的宽度；所述的两个底层支撑硅梁间空隙的宽度与所述的顶层PZT复合膜梁的宽度相同。
实施例3：
一种基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，首先，利用PZT薄膜制备方法和MEMS体硅方法，将矩形硅基上刻蚀出立体间隙空腔结构，并使上下两层结构形成空隙悬臂梁结构，制备成顶层PZT复合膜梁和两个底层支撑硅梁的立体空隙硅梁结构；之后，将振动源对顶层PZT复合膜产生的大部分机械能转化为有效电能输出，并提高响应频率；同时，通过调整顶层PZT复合膜梁自由端上质量块的形状，调整顶层PZT复合膜梁与底层支撑硅梁之间的距离，实现叉指梁结构能量收集器谐振频率范围和扩大器件频响范围的调整。
实施例4：
实施例3所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，所述的PZT薄膜制备方法是，选用厚度为330
-550
的SOI硅片并且其中间二氧化硅层厚度为1微米，首先在其上淀积厚度分别为250纳米和20纳米的Cr和Au作为下金属电极；第二，利用溶胶-凝胶方法制作PZT材料并将其旋涂在所述的下金属电极处；第三，采用相同淀积方法再在所述的SOI硅片另一面淀积Cr和Au形成上金属电极；第四，在PZT材料两侧自顶向下采用干法刻蚀，形成100微米厚的底层支撑梁，再利用背面刻蚀技术，形成5微米厚的顶层PZT复合膜梁；第五，在顶层PZT复合膜梁和底层支撑梁之间形成空隙层，同时形成固定端和质量块。
下金属电极采用硅微机械加工技术时，利用旋涂方式在叉指间隙梁结构能量收集器上制备PZT复合膜，利用MEMS工艺制作的基于PZT材料的微谐振梁能量收集器具有PZT材料与硅材料工艺一体化制作的特点，减少工艺流程，降低工艺复杂性，易于MEMS能量收集器的集成化、批量化生产。
实施例5：
实施例3或4所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，所述的溶胶-凝胶制备方法是，首先将0.5摩尔的硝酸锆(Zr(NO3)4·5H2O)溶于3.5摩尔的乙二醇单甲醚 (CH3OCH2CH2OH)溶液中直至澄清透明；同时将钛酸四正丁脂(Ti(OC4H9)4)溶于乙二醇单甲醚 (CH3OCH2CH2OH)溶液中，并加入乙酰丙酮(CH3COCH2COCH3)作为稳定剂充分混合；之后将硝酸锆(Zr(NO3)4·5H2O)和钛酸四正丁脂(Ti(OC4H9)4)的两种先驱溶液混合，并在80℃条件下充分搅拌回流50分钟后，将醋酸铅和醋酸的混合溶液加入两种先驱混合溶液中，加入一定量的H2O，在85℃下充分搅拌回流80分钟，制得澄清透明的淡黄色溶胶。
实施例6：
实施例3或4所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，在Cr/Au金属层上增加PT过渡层，首先，通过匀胶机在Au/Cr/ Si衬底上涂覆一层澄清PT溶胶形成PT湿凝胶膜；然后，将PT湿凝胶膜放入高温炉中，在300℃-350℃热解干燥处理5分钟后形成干凝胶膜，再经650℃-700℃处理1-3分钟形成结晶化的PT种子层，之后，在PT种子层上涂覆一层PZT溶胶后，放入高温管式炉中450℃下热解干燥处理30分钟；如此重复交替涂覆PZT膜5-8次，当膜厚达到所需厚度时，经700℃处理5-15分钟形成PZT膜；最后，再按照第一步制备PT薄膜的方法，在顶层PZT复合膜上制备一或二层PT膜，使其表面更加平整并提高PZT膜的结晶化程度和电学性质。
利用PT过渡层生长利于d31晶向的PZT材料，提高材料的压电系数，提高空隙梁的剪切模式下材料的能量输出转换效率。
实施例7：
实施例3或4所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，根据环境中振动源频率的不同，制备叉指间隙梁结构能量收集器阵列，主动匹配目标频率或多频率响应，完成能量转换，扩大环境频率耦合范围；另外，在特殊需要的场合可利用超声主动供能方式完成高频响应下器件能量供给。
实施例8：
实施例3或4所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，该叉指间隙梁结构能量收集器的工作原理如下：
基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的基本工作原理是压电效应，即压电材料工作于传感器模式在外界振动激励作用下发生形变，引起材料内部应力的变化，其内部电荷发生位移从而产生了电场，从而完成机械能到电能的转换。电材料压电方程可以简单的表达为：
其中Tp为机械应力；Sp为机械应变；εp为压电材料的介电常数；E为电场强度；D为电位移矢量；
为柔顺系数；dp为压电常数。由于受到应力的方向不同，压电材料的响应也不同；因此有两种主要的机电耦合模式：d31模式和d33模式。
d31压电模式下，收集电荷压电材料的上下表面需要制作正负平板式电极，因为压电材料产生的电场方向与所施加的应力方向是垂直的；d33压电模式下，压电材料产生的电场方向与所施加的应力方向是相同的，这就需要在压电材料的上表面制作一系列叉指电极(IDE)。
由于d31模式的平行板电极的电极面积远大于d33模式下的叉指电极面积，故d31模式下的电荷输出会高于d33模式。另一方面，由于d33模式下压电悬臂梁需要采用叉指电极，这样器件的电容就会非常小，输出阻抗非常大，因此外接电路时的阻抗匹配非常困难，因此，选择d31模式作为压电振动能量采集器的压电工作模式。
与传统意义上的悬臂梁结构不同，当在垂直方向上有一个加速度时，质量块发生位置改变，梁也会发生相应的形变，与传统的悬臂梁不同，该结构梁的变形被看做是既存在纯弯曲变形，也存在S形弯曲变形，从而使大多数机械能有效的用于对PZT施加拉力。
因此空隙梁结构悬臂梁有助于集中PZT中的大部分能量，从而使电荷输出的值最大化。
通过推导尺寸与频率间的关系式有：
这里
为纯弯曲时的刚度，
为PZT梁与质量块之间的长度比，
为纯弯曲和S形弯曲时的刚度比，m为质量块的质量；由式（2）可以看出，频率与梁尺寸呈非线性关系，因此，通过调整悬臂梁尺寸可以实现提高频率响应。
Claims (7)
1.一种基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器，其组成包括：顶层PZT复合膜梁，其特征是：所述的顶层PZT复合膜梁下方具有两个底层支撑硅梁，所述的顶层PZT复合膜梁和底层支撑硅梁的两端分别连接质量块和固定块；其中，所述的顶层PZT复合膜梁包括PZT梁层，以及与所述的PZT梁层的上下层分别连接的上金属电极和下金属电极。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器，其特征是：所述的顶层PZT复合膜梁的宽度与两个底层支撑硅梁的宽度之和等于所述的质量块的宽度；所述的两个底层支撑硅梁间空隙的宽度与所述的顶层PZT复合膜梁的宽度相同。
3.一种基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，其特征是：首先，利用PZT薄膜制备方法和MEMS体硅方法，将矩形硅基上刻蚀出立体间隙空腔结构，并使上下两层结构形成空隙悬臂梁结构，制备成顶层PZT复合膜梁和两个底层支撑硅梁的立体空隙硅梁结构；之后，将振动源对顶层PZT复合膜产生的大部分机械能转化为有效电能输出，并提高响应频率；同时，通过调整顶层PZT复合膜梁自由端上质量块的形状，调整顶层PZT复合膜梁与底层支撑硅梁之间的距离，实现叉指梁结构能量收集器谐振频率范围和扩大器件频响范围的调整。
4.根据权利要求3所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，其特征是：所述的PZT薄膜制备方法是，选用厚度为330 
-550
的SOI硅片并且其中间二氧化硅层厚度为1微米，首先在其上淀积厚度分别为250纳米和20纳米的Cr和Au作为下金属电极；第二，利用溶胶-凝胶方法制作PZT材料并将其旋涂在所述的下金属电极处；第三，采用相同淀积方法再在所述的SOI硅片另一面淀积Cr和Au形成上金属电极；第四，在PZT材料两侧自顶向下采用干法刻蚀，形成100微米厚的底层支撑梁，再利用背面刻蚀技术，形成5微米厚的顶层PZT复合膜梁；第五，在顶层PZT复合膜梁和底层支撑梁之间形成空隙层，同时形成固定端和质量块。
5.根据权利要求3或4所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，其特征是：所述的溶胶-凝胶制备方法是，首先将0.5摩尔的硝酸锆(Zr(NO3)4·5H2O)溶于3.5摩尔的乙二醇单甲醚 (CH3OCH2CH2OH)溶液中直至澄清透明；同时将钛酸四正丁脂(Ti(OC4H9)4)溶于乙二醇单甲醚 (CH3OCH2CH2OH)溶液中，并加入乙酰丙酮(CH3COCH2COCH3)作为稳定剂充分混合；之后将硝酸锆(Zr(NO3)4·5H2O)和钛酸四正丁脂(Ti(OC4H9)4)的两种先驱溶液混合，并在80℃条件下充分搅拌回流50分钟后，将醋酸铅和醋酸的混合溶液加入两种先驱混合溶液中，加入一定量的H2O，在85℃下充分搅拌回流80分钟，制得澄清透明的淡黄色溶胶。
6.根据权利要求3或4或5所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，其特征是：在Cr/Au金属层上增加PT过渡层，首先，通过匀胶机在Au/Cr/ Si衬底上涂覆一层澄清PT溶胶形成PT湿凝胶膜；然后，将PT湿凝胶膜放入高温炉中，在300℃-350℃热解干燥处理5分钟后形成干凝胶膜，再经650℃-700℃处理1-3分钟形成结晶化的PT种子层，之后，在PT种子层上涂覆一层PZT溶胶后，放入高温管式炉中450℃下热解干燥处理30分钟；如此重复交替涂覆PZT膜5-8次，当膜厚达到所需厚度时，经700℃处理5-15分钟形成PZT膜；最后，再按照第一步制备PT薄膜的方法，在顶层PZT复合膜上制备一或二层PT膜，使其表面更加平整并提高PZT膜的结晶化程度和电学性质。
7.根据权利要求3或4或5或6所述的基于MEMS的叉指间隙梁结构能量收集器的制作方法，其特征是：根据环境中振动源频率的不同，制备叉指间隙梁结构能量收集器阵列，主动匹配目标频率或多频率响应，完成能量转换，扩大环境频率耦合范围；另外，在特殊需要的场合可利用超声主动供能方式完成高频响应下器件能量供给。
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