CN103818870A

CN103818870A - 物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动电磁自供电微传感器

Info

Publication number: CN103818870A
Application number: CN201410058563.6A
Authority: CN
Inventors: 廖小平; 吴昊
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2034-02-20
Also published as: CN103818870B

Abstract

本发明公开了一种物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动电磁自供电微传感器，以砷化镓衬底（1）为衬底，主悬臂梁（3）一端根部的主悬臂梁锚区氮化硅（2）固定在砷化镓衬底（1）上，在主悬臂梁（3）上两侧的自由边上分别设有三对不同长度的鱼刺悬臂梁（4），外围设有整流电路（11）、第一大电容（12），第二大电容（13）和第一稳压电路（14），第一稳压电路（15）。本发明解决了射频收发组件中小功率器件的自供电问题，并且可以实现较宽频带范围的振动能量的收集，并提高自供电微传感器的效率，同时抑制系统结构的抖动。另一方面提高了射频收发组件的电磁兼容性，并利用振动增强了电磁能量收集的效率，进而提高了自供电微传感器的效率。

Description

物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动电磁自供电微传感器

技术领域

本发明提出了物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动/电磁自供电微传感器，属于射频微电子机械系统（RFMEMS）的技术领域。

背景技术

随着物联网、微机械系统（MEMS）和无线传感网等领域的迅速发展，为人们生活带来便利的同时，也不断提出挑战。虽然当前各种传感器的微电子产品在小尺寸、低能耗上取得了巨大的进展，但是与之相应的微型能源技术的发展却相对滞后。基于能量收集自供电技术原理，自供电微传感器通过MEMS技术可以方便的从周围环境能源中获取各种能量包括太阳能、机械振动能、电磁能、温度梯度等，然后将其转化为电能为自身系统中的某些器件供电。在射频收发组件的环境中，不可避免的会有一些杂散波，而且另一方面振动是环境中普遍存在的一种能量形式，采集这些未被利用的能量完全可以让射频收发组件中功耗较低的电子器件正常工作。通过收集射频收发组件中的这些振动和电磁波的能量，可以提高系统的电磁兼容性，抑制系统结构的抖动并且解决射频收发组件中低功耗器件的自供电问题。对于MEMS器件，它的优势在于体积小、重量轻、功耗小，可以将基于MEMS技术的自供电微传感器集成到射频收发组件中。随着MEMS技术的发展，使利用MEMS技术实现物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动/电磁自供电微传感器成为可能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动电磁自供电微传感器。同时自供电微传感器的振动也使得其中天线的接收方向有所改变，增强了电磁能量收集的效率，提高了自供电微传感器的效率。由于天线收集了射频收发组件中的杂散波能量，减小了对系统的电磁干扰，就提高了射频收发组件的电磁兼容性。而振动能量被吸收了一部分，就抑制了系统结构的抖动，提高了射频收发组件的可靠性。

技术方案：该自供电微传感器主要由一个主悬臂梁、三对在主悬臂梁两侧的自由边上的不同长度的悬臂梁以及外围的整流电路、大电容和稳压电路组成，其中在主悬臂梁根部的上表面和三对悬臂梁的上表面各有一个具有上下电极板的压电薄膜作为振动能量收集结构，在主悬臂梁和三对悬臂梁的下表面有双极子天线作为电磁能量收集结构，将振动/电磁能量收集后把储存的直流电压通过稳压电路，就可以获得稳定的直流电压。可以将自供电微传感器获得的稳定电压输出提供给物联网射频收发组件中的低功耗器件，从而解决射频收发组件中小功率器件的自供电问题。

本发明的物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动电磁自供电微传感器以砷化镓衬底为衬底，主悬臂梁一端根部的主悬臂梁锚区氮化硅固定在砷化镓衬底上，在主悬臂梁上两侧的自由边上分别设有三对不同长度的鱼刺悬臂梁，外围设有整流电路、第一大电容,第二大电容和第一稳压电路,第一稳压电路；其中，在主悬臂梁根部的上表面及三对鱼刺悬臂梁的上表面分别设有一个具有上下电极板的压电薄膜作为主悬臂梁振动能量收集结构，在主悬臂梁和三对鱼刺悬臂梁的下表面分别设有双极子天线作为电磁能量收集结构。

三对鱼刺悬臂梁的长度不同，从长到短依次排列形成具有不同固有谐振频率的梁，从而实现较宽频带范围的振动能量的收集，同时抑制了系统结构的抖动，而振动本身也实现了天线多方向的接收。

主悬臂梁的锚区的材料是氮化硅。主悬臂梁有压电薄膜的部分和三对悬臂梁都可以分为五层。最底层是做的双极子天线，其材料是金。在此之上的一层是由氮化硅构成的，在氮化硅层之上附有压电材料层，并且压电材料的上表面和下表面均有金层与其接触作为电压输出的上下两个电极板。主悬臂梁上没有压电薄膜的部分只有三层，下两层和有压电薄膜的部分一样，最上层材料是金层，主要起连接不同压电薄膜上下表面极板的作用，每个压电材料层的上下两个极板都通过主悬臂梁的最上层依次以串联的方式相连。所有压电材料层串联后的总输出连接到外围的大电容和稳压电路。而双极子天线最后的输出连接到外围的整流电路后，再与大电容和稳压电路相接。

为了能收集多种频率的振动的能量来提高自供电微传感器的效率，提高频带宽度，本发明中的三对鱼刺悬臂梁具有三种不同的固有谐振频率。而悬臂梁的谐振频率的不同是通过鱼刺悬臂梁长度上的不同来实现的。通过设计每对鱼刺悬臂梁的长度，从而使得每对悬臂梁就有了不同的固有谐振频率。所以对于三对不同尺寸的悬臂梁再加上主悬臂梁，就有可以设计为四种不同的固有谐振频率，从而实现较宽频带范围的振动能量的收集。将这四个谐振频率设计得与环境中振动强度最大的四种振动的振动频率相同，就可以使振动能量的收集效率达到最高，从而提高了自供电微传感器的效率，同时抑制了系统结构的抖动，使其对射频收发组件产生的不利影响减到最小。另一方面由于天线收集了射频收发组件中的杂散波能量，减小了对系统的电磁干扰，提高了射频收发组件的电磁兼容性，而振动也使得天线的接收方向有所改变，增强了杂散电磁波的能量收集效率，进而提高了自供电微传感器的效率。

有益效果：本发明的悬臂鱼刺梁振动/电磁自供电微传感器同时实现了对于机械振动能量和杂散电磁波能量这两种能量的收集，并解决了射频收发组件中小功率器件的自供电问题。而且本发明可以收集较宽频带范围的振动能量，同时抑制了射频收发组件结构的抖动。另一方面由于天线收集了射频收发组件中的杂散波能量，提高了射频收发组件的电磁兼容性，而振动又实现了天线多方向的接收。该结构工艺较为简单，与GaAsMMIC工艺相兼容，便于集成。

附图说明

图1是物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动/电磁自供电微传感器的俯视图；

图2是物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动/电磁自供电微传感器的A-A'剖面图；

图3是物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动/电磁自供电微传感器的B-B'剖面图；

图4是物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动/电磁自供电微传感器的C-C'面向上看的平面图。

图中包括：砷化镓衬底1，主悬臂梁锚区氮化硅2，主悬臂梁3，鱼刺悬臂梁4，振动能量收集结构5，双极子天线6，氮化硅介质层7，金层8，压电材料9，压电薄膜上极板10，整流电路11，第一大电容12,第二大电容13，第一稳压电路14，第二稳压电路15。

具体实施方式

本文发明的物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动/电磁自供电微传感器的具体实施方案如下：

以砷化镓（GaAs）为衬底，在外围辅以整流电路11、第一大电容12,第二大电容13以及第一稳压电路14,第二稳压电路15。主悬臂梁3的锚区2制作在砷化镓衬底1上，在主悬臂梁3上表面的两侧自由边上垂直于边缘方向对称地做出三对悬臂梁4，这三对鱼刺悬臂梁4间隔相等，沿主悬臂梁3方向依次由长至短，主悬臂梁3的锚区制作在主悬臂梁两侧的自由边上。在主悬臂梁3和三对鱼刺悬臂梁4的下表面做有双极子天线6。

主悬臂梁3的锚区2的材料是氮化硅。主悬臂梁3有压电薄膜的部分5和三对鱼刺悬臂梁4都可以分为五层。最底层是做的双极子天线6，其材料是金。在此之上的一层是氮化硅介质层7，在氮化硅介质层7之上附有压电材料层9，压电材料的上表面和下表面均有金层与其接触作为电压输出的上极板10和下极板8。主悬臂梁3上没有压电薄膜的部分只有三层，下两层和有压电薄膜的部分一样，最上层也是金层8，主要起连接压电薄膜上下表面极板的作用，每个压电材料层的上下两个极板都通过主悬臂梁的最上层的金层依次以串联的方式相连。所有压电材料层串联后的总输出连接到外围的第一大电容12和第一稳压电路14。而双极子天线6最后的输出连接到外围的整流电路11后，再与第二大电容13和第二稳压电路15相接。

物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动/电磁自供电微传感器的制备方法为：

1）准备砷化镓衬底1；

2）淀积氮化硅，在砷化镓衬底上用等离子体增强型化学气相淀积法工艺PECVD生长氮化硅介质层；

3）光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留主悬臂梁锚区部分的氮化硅介质层2；

4）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底上涂覆聚酰亚胺牺牲层，填满所有凹坑，其中，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了MEMS主悬臂梁与其下方的衬底之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS主悬臂梁3和其它三对悬臂梁4下方的牺牲层；

5）光刻：去除将要制作双极子天线6区域的光刻胶；

6）通过蒸发钛/金/钛方式生长作为双极子天线6的金层；

7）淀积第二层氮化硅；

8）光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留主悬臂梁3、其它三对悬臂梁4以及主悬臂梁锚区2部分的氮化硅介质7；

9）通过蒸发钛/金/钛方式生长作为压电材料下表面电极的金层8；

10）涂覆光刻胶，去除非下极板8和金连线层处的光刻胶；

11）反刻钛/金/钛形成压电材料层的下极板8和主悬臂梁氮化硅表面的金连线；

12）在主悬臂梁和其它三对悬臂梁上制备压电材料层9；

13）通过蒸发反刻形成压电材料层的上极板10和主悬臂梁氮化硅表面的金连线；

14）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS各悬臂梁下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干，得到悬臂鱼刺梁振动/电磁自供电微传感器。

区分是否为该结构的标准如下：

本发明的物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动/电磁自供电微传感器的结构主要是以砷化镓为衬底1，由一个主悬臂梁3、三对在主悬臂梁3两侧的自由边上的不同长度的鱼刺悬臂梁4组成，其中在主悬臂梁3根部的上表面和三对鱼刺悬臂梁4的上表面各有一个具有上下电极板的压电薄膜作为振动能量收集结构，在主悬臂梁3和三对鱼刺悬臂梁4的下表面有双极子天线6作为电磁能量收集结构。

该自供电微传感器同时实现了对于机械振动能量和杂散电磁波能量这两种能量收集的功能。对于主悬臂梁3根部和三对鱼刺悬臂梁4上的振动能量收集结构，可以设计具有四种不同固有谐振频率的梁，从而实现较宽频带范围的振动能量的收集，同时抑制了系统结构的抖动。另一方面由于天线收集了射频收发组件中的杂散波能量，提高了射频收发组件的电磁兼容性，而且振动实现了天线多方向的接收。

满足以上条件的结构即视为本发明的物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动/电磁自供电微传感器。

Claims

1.一种物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动电磁自供电微传感器，其特征在于以砷化镓衬底（1）为衬底，主悬臂梁（3）一端根部的主悬臂梁锚区氮化硅（2）固定在砷化镓衬底（1）上，在主悬臂梁（3）上两侧的自由边上分别设有三对不同长度的鱼刺悬臂梁（4），外围设有整流电路（11）、第一大电容（12）,第二大电容（13）和第一稳压电路（14）,第一稳压电路（15）；其中，在主悬臂梁（3）根部的上表面及三对鱼刺悬臂梁（4）的上表面分别设有一个具有上下电极板的压电薄膜作为主悬臂梁振动能量收集结构（5），在主悬臂梁（3）和三对鱼刺悬臂梁（4）的下表面分别设有双极子天线（6）作为电磁能量收集结构。

2.根据权利要求1所述的物联网射频收发组件悬臂鱼刺梁振动电磁自供电微传感器，其特征在于三对鱼刺悬臂梁（4）的长度不同，从长到短依次排列形成具有不同固有谐振频率的梁，从而实现较宽频带范围的振动能量的收集，同时抑制了系统结构的抖动，而振动本身也实现了天线多方向的接收。