CN103825493A - 物联网射频收发组件中开孔混合梁振动能自供电微传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的物联网射频收发机中的开孔混合梁振动能自供电微传感器，该微传感器以砷化镓衬底（4）为基底，由一个固支梁（1）和八个悬臂梁（2）构成，固支梁（1）两端的固支梁的锚区（3）固定在砷化镓衬底（4）上，八个悬臂梁（2）的尺寸相同,它们的锚区制作在固支梁（1）两侧的自由边上，每一侧有四个悬臂梁（2），且悬臂梁（2）之间的间隔一致。利用悬臂梁上设计不同的开孔的方法使得该开孔混合梁振动能自供电微传感器具有多种固有谐振频率，能够收集不同频率的振动能量，增大了频率带宽，更适用于振动频率复杂多变的振动环境，提高了能量收集效率和供电能力。同时由于振动能被收集，射频收发组件工作时不必要的抖动被抑制，增加了其工作的稳定性。

Description

物联网射频收发组件中开孔混合梁振动能自供电微传感器

技术领域

本发明提出了物联网射频收发组件中开孔混合梁振动能自供电微传感器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

现代物联网技术要求射频收发组件能够长时间低功耗地工作，而射频收发组件的能量损耗问题则是阻碍这一目标实现的一大难题。在常见的射频收发组件的能量损耗中，组件振动所造成的能量的损耗是一大关键部分。现有的振动能收集器可将环境中的振动能转化为电能，具有绿色环保，结构简单，免维护，成本低等优点，已成为微能源领域的主要研究方向。随着现代通信系统对器件的集成度的要求越来越高，射频收发组件的体积也越来越小，能量收集器的微型化的研究显得必不可少。得益于MEMS技术的发展，具有更小的体积、更低的功耗和更高的集成度的微系统的实现成为可能。因此,MEMS技术加工的振动能收集器将在未来的物联网射频收发组件中发挥巨大的作用。基于振动能收集器设计的振动能自供电微传感器即是利用收集振动能的方式来为工作电路提供辅助电源的新型传感器。

常见的振动能量转化为电能的方式包括电磁式、压电式和静电式三种。其中，压电式具有结构简单、不发热、无电磁干扰、清洁环保，机电转换效率高、输出电压高等诸多优点，因而获得了广泛的关注。在目前众多的压电振动能收集结构中，悬臂梁和固支梁结构因为其结构简单且便于加工制作而发展最为成熟。一定尺寸的附有压电材料的悬臂梁或者固支梁在外部振动激励下会发生谐振，导致梁上的压电材料层发生较大的弯曲，压电材料的上下表面产生电势差，从而实现了振动能到电能的转化。本发明即是基于悬臂梁和固支梁结构设计的振动能自供电微传感器。

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中开孔混合梁振动能自供电微传感器，微传感器不仅能有效地改善振动能量的损耗，为电路提供辅助的电源，而且由于振动能量被吸收了，抑制了射频组件不需要的抖动，提高了射频组件的稳定性。

技术方案：通常射频收发组件工作中的抖动都是不希望存在的，抑制抖动将有利于组件正常工作。固支梁或者悬臂梁的固有谐振频率一般都较高，而环境的振动频率一般都较小，所以直接利用简单的固支梁或者悬臂梁结构的谐振来收集振动能有一定局限性。而且利用单个梁设计的振动能量收集器谐振时具有高的输出性能，但谐振频带宽度较窄，所以无法在频率变化较大的振动环境中工作。常用的提高频带宽度的方法是设计多个尺寸不同的梁，但是这样不利于振动能自供电微传感器的微型化设计。

本发明的物联网射频收发组件中开孔混合梁振动能自供电微传感器以砷化镓衬底为基底，由一个固支梁和八个悬臂梁构成，固支梁两端的固支梁的锚区固定在砷化镓衬底上，八个悬臂梁的尺寸相同,它们的锚区制作在固支梁两侧的自由边上，每一侧有四个悬臂梁，且悬臂梁之间的间隔一致；固支梁和悬臂梁最底层是氮化硅层，在氮化硅层之上制作了压电材料层，压电材料层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和下极板；上极板的引线引出到固支梁的表面时，有一段悬空的引线，以保证上极板不与压电材料层的下表面接触，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，在悬臂梁上开有一行圆孔，同一个悬臂梁上的圆孔的圆心在同一条直线上，且以相同间距沿悬臂梁的长度方向依次排列；同一个悬臂梁上的所有圆孔的半径相同；固支梁的其中一侧的4个悬臂梁上圆孔的直径都为8μm，但对于这4个悬臂梁，不同悬臂梁上的相邻圆孔的圆心间距不同，分别为8μm，10μm，12μm和14μm，而对于固支梁另一侧的4个悬臂梁，其中两个悬臂梁设计了直径为10μm的圆孔，相邻圆孔圆心的间距分别为6μm和8μm；另外两个悬臂梁设计直径为12μm的圆孔，相邻圆孔圆心的间距分别为6μm和8μm，不同悬臂梁上设计圆孔具有不同的数量、半径以及不同的相邻圆孔圆心的间距，是为了使每个悬臂梁的密度，杨氏模量还有泊松比有所不相同，从而使得每个悬臂梁的固有谐振频率都是不同的；这种具有多种固有谐振频率的微传感器能使收集的振动频率带宽增加，提高了能量收集效率和供电能力，抑制了射频收发组件工作时不必要的抖动。

固支梁和悬臂梁可以分为4层。最底层是氮化硅，在氮化硅层上附有压电材料层，压电材料选用PbTiZrO₃，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。每个压电材料层的上下两个极板有金线引出。上极板的金线引出到固支梁的表面时，有一段悬空的引线，以保证上电极不与压电材料的下表面接触。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，以为后级电路供能。

一般来说，射频收发组件在工作过程中，发生的振动是多种不同振动频率的振动的叠加的结果。在本发明中，我们可以设计8个悬臂梁的固有谐振频率分别与环境中振动强度最大的8种振动的振动频率相同。这样，悬臂梁会在射频收发组件的振动的激励下发生谐振，产生较大的弯曲形变，使得梁上的压电材料层也相应地发生形变，从而压电材料层的上下表面将产生电势差。并且所有压电材料层都是以串联的方式连接，因此所有的压电材料层的输出电压叠加输出到外围的电容和稳压电路，以为后级电路供能。

为了实现多种频率的振动的能量的收集，增大频带宽度，本发明设计了具有8种不同的固有谐振频率的悬臂梁。悬臂梁的谐振频率的不同是通过在悬臂梁上设计不同圆孔来实现的。通过设计每个悬臂梁上的圆孔的数量，圆孔半径以及圆孔圆心的间距，使得每个悬臂梁的密度，杨氏模量还有泊松比都不相同，从而每个悬臂梁就有了不同的固有谐振频率。同时打孔处理能够减小悬臂梁的固有谐振频率。

有益效果：本发明的物联网射频收发组件中开孔混合梁振动能自供电微传感器不仅能有效地改善振动能量的损耗，为电路提供辅助的电源，而且由于振动能量被吸收了，抑制了射频组件不需要的抖动，提高了射频组件的稳定性。同时，本发明中的微振动能自供电微传感器具有多个固有谐振频率，收集的振动频带宽，能量的收集效率高，大大降低射频收发组件的功耗，提高了性能。

附图说明

图1为本发明开孔混合梁振动能自供电微传感器的示意图，

图2为图1开孔混合梁振动能自供电微传感器的P-P’向的剖面图，

图3为图1开孔混合梁振动能自供电微传感器固支梁Q-Q’向的剖面图，

图中包括：固支梁1，悬臂梁2，固支梁的锚区3，砷化镓衬底4，氮化硅层5，圆孔6，压电材料层7，上极板8，下极板9，引线10，大电容和稳压电路11，悬空的引线12。

具体实施方式

该微传感器以砷化镓衬底4为基底，由一个固支梁1和八个悬臂梁2构成，固支梁1两端的固支梁的锚区3固定在砷化镓衬底4上，八个悬臂梁2的尺寸相同,它们的锚区制作在固支梁1两侧的自由边上，每一侧有四个悬臂梁2，且悬臂梁2之间的间隔一致；固支梁1和悬臂梁2最底层是氮化硅层5，在氮化硅层5之上制作了压电材料层7，压电材料层7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8和下极板9；上极板8的引线10引出到固支梁1的表面时，有一段悬空的引线12，以保证上极板8不与压电材料层7的下表面接触，所有压电材料层7串联后的总输出连接到外围的大电容和稳压电路11，在悬臂梁2上开有一行圆孔6，同一个悬臂梁2上的圆孔6的圆心在同一条直线上，且以相同间距沿悬臂梁2的长度方向依次排列；同一个悬臂梁2上的所有圆孔6的半径相同；固支梁1的其中一侧的4个悬臂梁2上圆孔6的直径都为8μm，但对于这4个悬臂梁2，不同悬臂梁2上的相邻圆孔6的圆心间距不同，分别为8μm，10μm，12μm和14μm，而对于固支梁1另一侧的4个悬臂梁2，其中两个悬臂梁2设计了直径为10μm的圆孔6，相邻圆孔圆心的间距分别为6μm和8μm；另外两个悬臂梁2设计直径为12μm的圆孔6，相邻圆孔圆心的间距分别为6μm和8μm，不同悬臂梁2上设计圆孔6具有不同的数量、半径以及不同的相邻圆孔6圆心的间距，是为了使每个悬臂梁2的密度，杨氏模量还有泊松比有所不相同，从而使得每个悬臂梁2的固有谐振频率都是不同的；。

固支梁1和悬臂梁2可以分为4层。最底层是氮化硅。在氮化硅层5之上制作了压电材料层7，压电材料选用PbTiZrO₃，压电材料层7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8和下极板9。每个压电材料层7的上极板8和下极板9都有金线10引出。上极板8的引线10引出到固支梁的表面时，有一段悬空的引线12，以保证上极板8不与压电材料层7的下表面接触。所有压电材料层7串联后的总输出连接到外围的大电容和稳压电路11。

本发明中，我们可以设计8个悬臂梁2的固有谐振频率分别与环境中振动强度最大的8种振动的振动频率相同。这样，悬臂梁2会在射频收发组件的振动的激励下发生谐振，产生较大的弯曲形变，同时也使得梁上的压电材料层7发生形变。从而压电材料层7的上下表面将产生电势差。并且所有压电材料层7都是以串联的方式连接，因此每个梁上的压电材料层7的输出电压叠加输出到外围的电容及稳压电路11。

本设计结构中的每个悬臂梁2的固有谐振频率都是不同，这是在梁上设计不同圆孔6来实现的。通过设计每个悬臂梁2上的圆孔6的半径，相邻圆孔6圆心的间距以及圆孔的数量，使得每个悬臂梁2的杨氏模量，泊松比还有密度都不相同，从而每个悬臂梁2就有了不同的固有谐振频率。所以对于8个相同尺寸悬臂梁2，就有可以设计8种不同的固有谐振频率。增大了频率带宽。同时打孔处理能够减小悬臂梁2的固有谐振频率。

本发明的物联网射频收发组件中开孔混合梁振动能自供电微传感器的制备方法包括以下几个步骤：

物联网射频收发组件中开孔混合梁振动能自供电微传感器的制备方法：

1）准备砷化镓衬底4：选用外延的半绝缘砷化镓衬底4，其中外延N＋砷化镓的掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，其方块电阻值为100～130Ω/□；

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生长氮化硅层5；

3）光刻并刻蚀氮化硅介质，保留固支梁1、悬臂梁2的氮化硅介质，并去除悬臂梁2上的打孔部位的氮化硅介质；

4）通过蒸发钛/金/钛方式生长作为压电材料层7下表面电极的金层；

5）涂覆光刻胶，去除固支梁1和悬臂梁2不打孔部分的光刻胶；

6）反刻钛/金/钛形成压电材料层7的下极板9和固支梁1氮化硅表面的金连线；

7）在固支梁1和悬臂梁2上制备压电材料层7；

8）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留上极板8悬空的引线12部分的牺牲层；

9）通过蒸发反刻形成压电材料层7的上极板8和固支梁1氮化硅表面的金连线；

10）将该砷化镓衬底4背面减薄至100μm；

11）在砷化镓衬底4的背面涂覆光刻胶，去除固支梁1和悬臂梁2下方的砷化镓的光刻胶；

12）刻蚀固支梁1和悬臂梁2下方的砷化镓衬底4，形成固支梁1和悬臂梁2；

本发明与现有技术的区别在于：

本发明物联网射频收发组件中开孔混合梁振动能自供电微传感器有9个不同的谐振频率点，通过在悬臂梁上设计圆孔的半径、相邻圆孔圆心间距以及数量的不同，来使得每个悬臂梁的杨氏模量，泊松比还有密度都不相同，从而使每个悬臂梁有了不同的固有谐振频率。本发明所能收集的振动频率带宽增加，更适用于频率变化大、振动模式复杂的振动环境中的振动能量的收集。由于环境的振动的频率一般要比非打孔梁的谐振频率低很多，而利用打孔的方法可以设计梁的谐振频率从0到其未打孔时的谐振频率之间的任何频率值，所以打孔不仅可以方便有效地设计悬臂梁的固有谐振频率，还可以避免悬臂梁的长度设计得过长影响器件的微型化。

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中开孔混合梁振动能自供电微传感器。

Claims (1)

1.一种物联网射频收发组件中开孔混合梁振动能自供电微传感器，其特征是该微传感器以砷化镓衬底（4）为基底，由一个固支梁（1）和八个悬臂梁（2）构成，固支梁（1）两端的固支梁的锚区（3）固定在砷化镓衬底（4）上，八个悬臂梁（2）的尺寸相同,它们的锚区制作在固支梁（1）两侧的自由边上，每一侧有四个悬臂梁（2），且悬臂梁（2）之间的间隔一致；固支梁（1）和悬臂梁（2）最底层是氮化硅层（5），在氮化硅层（5）之上制作了压电材料层（7），压电材料层（7）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（8）和下极板（9）；上极板（8）的引线（10）引出到固支梁（1）的表面时，有一段悬空的引线（12），以保证上极板（8）不与压电材料层（7）的下表面接触，所有压电材料层（7）串联后的总输出连接到外围的大电容和稳压电路（11），在悬臂梁（2）上开有一行圆孔（6），同一个悬臂梁（2）上的圆孔（6）的圆心在同一条直线上，且以相同间距沿悬臂梁（2）的长度方向依次排列；固支梁（1）的其中一侧的4个悬臂梁（2）上圆孔（6）的直径都为8μm，但对于这4个悬臂梁（2），不同悬臂梁（2）上的相邻圆孔（6）的圆心间距不同，分别为8μm，10μm，12μm和14μm，而对于固支梁（1）另一侧的4个悬臂梁（2），其中两个悬臂梁（2）设计了直径为10μm的圆孔（6），相邻圆孔圆心的间距分别为6μm和8μm；另外两个悬臂梁（2）设计直径为12μm的圆孔（6），相邻圆孔圆心的间距分别为6μm和8μm，不同悬臂梁（2）上设计圆孔（6）具有不同的数量、半径以及不同的相邻圆孔（6）圆心的间距，是为了使每个悬臂梁（2）的密度，杨氏模量还有泊松比有所不相同，从而使得每个悬臂梁（2）的固有谐振频率都是不同的；这种具有多种固有谐振频率的微传感器能使收集的振动频率带宽增加，提高了能量收集效率和供电能力，抑制了射频收发组件工作时不必要的抖动。

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