CN103746602A

CN103746602A - 一种螺旋型压电式能量采集器及其制备方法

Info

Publication number: CN103746602A
Application number: CN201410015461.6A
Authority: CN
Inventors: 张海霞; 刘雯; 韩梦迪; 黄贤良; 金勇�
Original assignee: Peking University; Beijing Samsung Telecommunications Technology Research Co Ltd
Current assignee: Peking University; Beijing Samsung Telecommunications Technology Research Co Ltd
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2034-01-14
Also published as: CN103746602B

Abstract

本发明公开了一种螺旋型压电式能量采集器及其制备方法，所述采集器包括压电薄膜、金属电极、粘附层，金属质量块和硅质量块。本发明提出的螺旋型带压电式能量采集器具有低频宽频带的特点，而且其制备方式与传统的MEMS工艺兼容，易于批量化生产。

Description

一种螺旋型压电式能量采集器及其制备方法

技术领域

本发明涉及MEMS集成加工领域，具体是一种螺旋型低频宽频带压电式能量采集器及其制备方法。

背景技术

微机电系统（Micro-electro-mechanical system,MEMS）由于具有能耗低，尺寸小等优异的特性，备受国内外科学家的关注。许多MEMS系统例如光学微机电系统（Optical MEMS）、射频微机电系统（RF MEMS）等MEMS系统近年来发展迅速，但是,这些系统的供电问题正成为它们发展的重大障碍，其原因是传统的MEMS器件供电部分体积大，存储量有限，而且难以及时更换。由于能量采集器可以把环境中广泛存在的振动能量转换成电能,正受到越来越广泛的重视。根据不同的工作原理，能量采集器可以分为电磁式、压电式、静电式等几类。但是由于MEMS能量采集器尺寸小的原因，一般的能量采集器工作频率都较高，且频带较窄，不能有效地采集自然界中的低频振动。因此，低频宽频带的能量采集器是近年来的研究热点。

对于压电式能量采集器，R Elfrink等人利用氮化硅通过MEMS工艺制备了能量采集器[Elfrink R,Kamel T M,Goedbloed M,et al.Vibration energyharvesting with aluminum nitride-based piezoelectric devices[J].Journal ofMicromechanics and Microengineering,2009,19(9):094005.]；Collins等利用人体活动能通过PVDF产生电能为个人电子器件如手机、电话机等供电[Collins M,Behrens S,McGarry S.Evaluation of flexible transducers for motion energyharvesting[C]//The16th International Symposium on:Smart Structures andMaterials&Nondestructive Evaluation and Health Monitoring.InternationalSociety for Optics and Photonics,2009:72880X-72880X-11]。但是上述的能量采集器均没有充分满足低频和宽频带的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于螺旋型低频宽频带压电式能量采集器及其制备方法，采用压电薄膜构成螺旋型的悬臂梁，并在悬臂梁的不同部位，利用传统的MEMS加工工艺制作出铜质量块与硅质量块。同传统的压电型能量采集器相比，这种螺旋型的悬臂梁，一方面可以有效的加大悬臂梁的长度，降低其共振频率；另一方面，这种结构有利于拓宽能量采集器的工作频带。另外，悬臂梁上不同部位的质量块可以进一步的降低能量采集器的共振频率。综上所述，本发明提出的螺旋型带压电式能量采集器具有低频宽频带的特点，而且其制备方式与传统的MEMS工艺兼容，易于批量化生产。

为达到上述目的，本发明提供了一种螺旋型压电式能量采集器，该结构包括：压电薄膜、金属电极、粘附层，金属质量块、硅质量块。所述压电薄膜为聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF）；所述金属电极为金属铜或其它具有稳定性且导电性良好的金属如金、银、铂等；所述粘附层材料为环氧树脂（epoxy resin）或其他具有耐强碱特性的粘附剂；所述金属质量块为金属铜或者其他可被电镀工艺加工的金属如金、镍等。

本发明还提供了一种螺旋型压电能量采集器制造方法，包括以下步骤：

1）、通过低压化学气相淀积（LPCVD）的方法在硅片正反面淀积一层氮化硅薄膜，膜厚为100nm-1μm

2）、通过反应离子刻蚀（RIE）的方法，刻蚀掉硅片背面的氮化硅；

3）、利用光刻以及反应离子刻蚀（RIE）的方法，图形化硅片正面的氮化硅薄膜；

4）、通过蒸发或溅射工艺，在PVDF薄膜两侧制备金属电极；

5）、通过旋涂的方法，在上述图形化的硅片上旋涂一层环氧树脂胶。利用胶的粘附性，将步骤4中制备好的PVDF粘附在硅片背面；

6）、通过旋涂工艺，在步骤5制备的PVDF上旋涂光刻胶，并利用双面对准光刻工艺将其图形化。利用电镀工艺，在PVDF膜制备得到金属质量块；

7)、利用聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）自流平工艺将PDMS溶液覆盖于带有PVDF的硅片的背面，加热将其固化成膜，保护背面图形；

8）、通过KOH腐蚀的工艺，制备得到硅质量块；

9）、去除PDMS膜；

10）、利用激光图形化PVDF膜，制备得到悬臂梁。

所述步骤4）中，PVDF膜厚度为20μm-500μm，溅射和蒸镀的温度为30-70℃；

所述步骤5）中，环氧树脂胶的厚度为2μm-20μm；

所述步骤6）中，金属质量块的面积大小为0.4mm²-4mm²，厚度为2μm-40μm，个数为4-15个；

所述步骤8）中，硅质量块的面积大小为0.4mm²-4mm²，厚度为100μm-500μm，个数为4-15个。KOH腐蚀条件为温度60℃-90℃；

所述步骤10）中，PVDF悬臂梁为螺旋型PVDF悬臂梁，其宽度为200μm-10mm；

以上所述制备步骤，其工艺顺序并非固定不变，根据实际需要可调整工艺顺序或删减工艺步骤。

本发明所提供的螺旋型压电式能量采集器可以应用于微型器件供能，物联网传感器供能等领域。

有益效果

1、本发明提出的螺旋型能量采集器，与其他压电型能量采集器相比，在采集频率、频带宽度方面都有了提升，其采集频率范围覆盖从几赫兹到几十赫兹，有效实现了低频宽频带的能量采集。

2、本发明提出的制造方法均采用传统的MEMS工艺加工制备、易于大批量生产。

附图说明

图1（a）为本发明的螺旋型压电式能量采集器的俯视示意图；

图1（b）为本发明的螺旋型压电式能量采集器的前视示意图；

图2为本发明的激光切割PVDF薄膜悬臂梁的显微镜效果图；

图3为本发明的电镀铜的显微镜效果图；

图4为本发明的螺旋型压电式能量采集器的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中提出。

下面结合附图1-4阐述本发明提供的螺旋型低频宽频带压电式能量采集器及其制备方法的具体步骤。

参照图1，图1（a）为本发明的螺旋型能量采集器的俯视图。图1（b）为本发明的螺旋型压电式能量采集器的前视示意图。能量采集器结构主要包括：PVDF压电薄膜，金属质量块，硅质量块。参照图2，图2为本发明的激光切割PVDF薄膜悬臂梁的扫描电镜照片。参照图3，图3为本发明的电镀铜的显微镜效果图。参照图4，图4为本发明的螺旋型压电式能量采集器的工艺流程图。其工艺流程步骤如下：

步骤1：通过低压化学气相淀积（LPCVD）的方法在硅片正反面淀积一层氮化硅薄膜，膜厚约100nm-1μm；

步骤2：通过反应离子刻蚀（RIE）的方法，刻蚀掉硅片背面的氮化硅。利用光刻以及反应离子刻蚀（RIE）的方法，图形化硅片正面的氮化硅薄膜；

步骤3：通过蒸发或溅射工艺，在PVDF薄膜两侧制作金属电极2。通过旋涂的方法，在上述图形化的硅片上制备一层环氧树脂胶。利用胶的粘附性，将已制备好电极的PVDF膜粘附在硅片背面；

步骤4：利用光刻和电镀工艺，在PVDF膜上制备得到金属质量块；

步骤5：利用PDMS自流平工艺将PDMS溶液覆盖于带有PVDF的硅片的背面，加热将其固化成膜。通过KOH腐蚀的工艺，制备得到硅质量块并去除PDMS质量块；

步骤6：利用激光图形化PVDF膜，制备得到悬臂梁；

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims

1.一种螺旋型压电式能量采集器，其特征在于：所述采集器包括螺旋型压电薄膜悬臂梁、在悬臂梁上下表面的金属电极、分别位于悬臂梁上下表面的金属质量块和硅质量块以及用来粘附下表面硅质量块的粘附层。

2.根据权利要求1所述的采集器，其特征在于：所述压电薄膜为聚偏氟乙烯，所述金属电极为金属铜或其它具有稳定性且导电性良好，电阻率小于10^-3Ω·m的金属，选自金、银、铂；所述粘附层材料为环氧树脂或其他具有耐强碱特性的粘附剂；所述金属质量块为能够被电镀工艺加工的金属，选自金、镍或铜。

3.一种权利要求1所述螺旋型压电能量采集器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、通过低压化学气相淀积的方法在硅片正反面淀积一层氮化硅薄膜，膜厚为100nm-1μm；

2）、通过反应离子刻蚀的方法，刻蚀掉硅片背面的氮化硅；

3）、利用光刻以及反应离子刻蚀的方法，图形化硅片正面的氮化硅薄膜；

4）、通过蒸发或溅射工艺，在PVDF薄膜两侧制备金属电极；

5）、通过旋涂的方法，在上述图形化的硅片上旋涂一层环氧树脂胶，利用胶的粘附性，将步骤4）中制备好的PVDF粘附在硅片背面；

6）、通过旋涂工艺，在步骤5）制备的PVDF上旋涂光刻胶，并利用双面对准光刻工艺将其图形化，利用电镀工艺，在PVDF膜制备得到金属质量块；

7)、利用聚二甲基硅氧烷自流平工艺将PDMS溶液覆盖于带有PVDF的硅片的背面，加热将其固化成膜，保护背面图形；

8）、通过KOH腐蚀的工艺，制备得到硅质量块；

9）、去除PDMS膜；

10）、利用激光图形化PVDF膜，制备得到悬臂梁。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤4）中，PVDF膜厚度为20μm-500μm，溅射和蒸镀的温度为30-70℃；

所述步骤5）中，环氧树脂胶的厚度为2μm-20μm；

所述步骤8）中，硅质量块的面积大小为0.4mm²-4mm²，厚度为100μm-500μm，个数为4-15个，KOH腐蚀条件为温度60℃-90℃；

所述步骤10）中，PVDF悬臂梁为螺旋型PVDF悬臂梁，其宽度为200μm-10mm。