CN103825494A - 物联网射频收发组件中固支梁振动电磁自供电微传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的物联网射频收发组件中固支梁振动/电磁自供电微传感器，集成了压电换能器和整流天线系统两种能量收集自供电模块，分别对机械振动能和杂散电磁能起到收集、转换和储能的作用。该发明以砷化镓为衬底，由MEMS固支梁、滤波电路、整流电路和储能电容组成。MEMS固支梁从上往下共有五层：上电极，压电薄膜，下电极，氮化硅电介质层和矩形微带贴片天线。该发明中两种模块的集成能够相互补充，微带天线结构用作质量块增强梁振动的惯性力和形变，随着梁的振动能够扩展微带贴片天线收集能量的方向性范围。该发明提高了能量收集效率和供电能力，为解决低功耗系统的自供电问题提供有效方案，增强系统的电磁兼容性能，减少了系统结构的抖动。

Description

物联网射频收发组件中固支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中固支梁振动/电磁自供电微传感器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

随着物联网、微机械系统（MEMS）和无线传感网等微型智能系统领域的不断进步与发展，对小型化、自供电、低功耗方面的要求越来越高。近年来兴起的能量收集自供电传感技术为解决以上问题提供了有效方案。得益于微功耗集成电路技术和微机电系统（MEMS）的进步，微型能量收集自供电传感技术已经成为一个重要的研究领域并且发展迅速，越来越多的受到人们的关注。能量收集自供电传感技术利用环境中存在的各种能量，将其转换为电能并储存起来，为电子系统提供电力，这些能量主要包括太阳能、机械振动能、电磁能、热能等。目前物联网、无线传感网络和便携无线终端等领域仍然依靠传统的电池供电来持续工作。传统电池存在明显的缺陷：一是相对于微型传感器件其尺寸和重量仍然太大，限制了微传感器的进一步微型化；二是供能寿命有限，使用一段时间后需要更换电池或者充电，在很多情况下更换电池是器件结构和系统所不允许的；三是大量电池的使用会对环境造成危害。这种解决方案的供电寿命理论上取决于组成能量收集器的器件结构的寿命，没有额外消耗能源，没有排放，大大延长了系统的工作寿命，是典型的绿色能源技术，使得实现自供电的智能微型系统成为可能。射频收发组件是物联网、无线传感网络和无线终端设备中的重要组成部分，其工作环境中存在可观的杂散电磁场能和机械振动能。本发明是物联网射频收发组件中固支梁振动/电磁自供电微传感器，采用两种模式的能量收集技术实现同时对杂散电磁能和机械振动能的收集。

发明内容

技术问题：为了解决低功耗微型智能系统（如物联网）的自供电问题，提高从射频收发组件工作环境中收集能量的效率，增强能量收集器的供电能力，同时减少杂散磁场和机械振动对系统工作和器件结构的影响，提高系统的电磁兼容性，抑制系统结构的抖动，本发明提出一种物联网射频收发组件中固支梁振动电磁自供电微传感器。

技术方案：本发明的双模式能量收集自供电技术是将机械振动压电能量收集和杂散磁场电磁能量收集模块相结合的系统，两种能量收集模块的集成能够起到相互补充的作用；功能上由压电换能器和整流天线系统组成，分别针对机械振动能和杂散电磁能起到能量收集、转换和储能的作用。

本发明的物联网射频收发组件中固支梁振动电磁自供电微传感器，在砷化镓衬底上设有两个锚区，一个中间宽两边窄的MEMS固支梁的两端分别固定在两个锚区上，该MEMS固支梁共由五层结构组成，从上往下依次为：上电极，压电薄膜，下电极，氮化硅电介质层、矩形微带贴片天线；由上电极，压电薄膜，下电极构成压电转换模块，在MEMS固支梁的外围辅以滤波电路、整流电路和储能电容，同时实现针对机械振动能和杂散电磁能这两种能量收集模块的集成，解决了低功耗系统的自供电问题。系统中两种能量收集模块相互影响，矩形微带贴片天线用作质量块增强梁振动的惯性力和形变，梁的振动能够扩展矩形微带贴片天线收集能量的方向性范围。

MEMS固支梁以砷化镓（GaAs）为衬底，共有五层结构组成，从上往下依次为：上电极（Au），压电薄膜，下电极（Au），氮化硅电介质层和矩形微带贴片天线（Au）。固支梁结构中间宽两边窄。固支梁用于集成压电换能器和整流天线系统两种能量收集模块。

压电换能器由上电极、压电薄膜、下电极、整流电路和储能电容组成，由两个压电转换模块相互串联构成，即一个压电转换模块的下电极串联另一个压电转换模块的上电极，电压从前一个压电转换模块的上电极和后一个压电转换模块的下电极引出。上电极和下电极分别覆盖在两个压电薄膜的上下表面，上电极、下电极和压电薄膜位于固支梁的最大应力处，固支梁靠近锚区的位置，即固支梁的两端各有一个压电换能器结构。固支梁中间较宽的部分作为矩形微带贴片天线的制作平台，没有放置压电换能器结构，用作固支梁结构中的质量块发挥作用，以增强固支梁振动时的惯性力和形变。当固支梁发生振动时会在压电薄膜的上下表面产生电荷，通过上电极和下电极的串联把两个压电换能器的输出电压叠加起来。压电换能器输出的电压送到整流电路进行交直流变换；最后送到储能电容用于向系统供电。压电换能器是将机械振动转换为直流电能，并能减小机械振动对系统结构和器件造成的损耗。

整流天线系统由矩形微带贴片天线、滤波电路、整流电路和储能电容组成。微带贴片天线位于固支梁中间较宽的部分，包括接地板、电介质层和金属贴片三层。矩形微带贴片天线接收到的环境杂散电磁波能量经过滤波电路和整流电路，转换为直流能量，然后送到储能电容。随着MEMS固支梁的振动，矩形微带贴片天线的方向性会有变化，从而扩大了天线收集杂散电磁波能量的方向性范围。

物联网射频收发组件中固支梁振动/电磁自供电微传感器的制备方法：首先准备砷化镓衬底，在衬底上用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法淀积氮化硅介质层并光刻以生长锚区，在砷化镓衬底上用涂覆方式淀积聚酰亚胺牺牲层并光刻以便于生长固支梁五层结构：在聚酰亚胺层上用蒸发淀积方式淀积第一层金并光刻形成微带贴片天线的结构，在第一层金上用PECVD法淀积氮化硅介质层并光刻形成微带天线的电介质基板，在氮化硅介质层上方用蒸发淀积方式淀积第二层金并光刻生成微带天线的接地板金属层同时也作为压电换能器的部分电极，在第二层金上用化学溶液淀积法淀积压电材料以生成压电换能器的压电薄膜层，在压电薄膜上用蒸发淀积方式蒸发淀积第三层金并光刻生成压电换能器的另外一部分电极，用湿法刻蚀释放聚酰亚胺牺牲层生成固支梁与衬底之间的空气层。最后通过封装完成固支梁和滤波电路、整流电路和储能装置的连接。

有益效果：本发明的物联网射频收发组件中固支梁振动/电磁自供电微传感器同时实现针对机械振动能和杂散电磁能这两种能量收集模块的集成，为解决低功耗系统的自供电问题提供有效方案，不但减小了系统的尺寸和重量，实现系统的功能最大化，而且随着梁的振动能够扩展整流天线收集电磁能的方向性范围。同时，本发明能够提高系统的电磁兼容性，抑制系统结构的抖动。

附图说明

图1为物联网射频收发组件中固支梁振动电磁自供电微传感器的顶视平面图；

图2为物联网射频收发组件中固支梁振动电磁自供电微传感器的底视平面图；

图3为图1-2物联网射频收发组件中固支梁振动电磁自供电微传感器沿A-A’方向的纵向剖面图；

图中包括：上电极1，压电薄膜2，下电极7，氮化硅电介质层3，矩形微带贴片天线4，锚区5，砷化镓衬底6，滤波电路8，整流电路9，储能电容10。

具体实施方式

本发明的的物联网射频收发组件中固支梁振动/电磁自供电微传感器的具体实施方案如下：

在砷化镓衬底6上设有：MEMS固支梁，在固支梁的外围辅以滤波电路8、整流电路9以及储能电容10。

MEMS固支梁共有五层结构组成，从上往下依次为：上电极1，压电薄膜2，下电极7，氮化硅电介质层3和矩形微带贴片天线4。固支梁结构中间宽两边窄。固支梁用于集成压电换能器和整流天线系统两种能量收集模块。上电极1和下电极7采用的材料是Au。

压电换能器由上电极1，压电薄膜2，下电极7，整流电路9和储能电容10组成，由两个压电转换模块的串联，即一个压电转换模块的下电极7串联另一个压电转换模块的上电极1，电压从前一个压电转换模块的上电极1和后一个压电转换模块的下电极7引出。上电极1和下电极7分别覆盖在两个压电薄膜2的上下表面，上电极1、下电极7和压电薄膜2位于固支梁的最大应力处，固支梁靠近锚区5的位置，即固支梁的两端各有一个压电换能器结构。固支梁中间较宽的部分作为矩形微带贴片天线4的制作平台，没有放置压电换能器结构，用作固支梁结构中的质量块发挥作用，以增强固支梁振动时的惯性力和形变。当固支梁发生振动时会在压电薄膜2的上下表面产生电荷，通过上电极1和下电极7的串联把两个压电换能器的输出电压叠加起来。压电换能器输出的电压送到整流电路9进行交直流变换；最后送到储能电容10用于向系统供电。压电换能器是将机械振动转换为直流电能，并能减小机械振动对系统结构和器件造成的损耗。

整流天线系统由矩形微带贴片天线4、滤波电路8、整流电路9和储能电容10组成。矩形微带贴片天线4位于固支梁中间较宽的部分。矩形微带贴片天线4接收到的周围环境电磁波能量经过滤波电路8和整流电路9，转换为直流能量，然后送到储能电容10。随着MEMS固支梁的振动，矩形微带贴片天线4的方向性会有变化，从而扩大了天线收集电磁波能量的方向性范围。

物联网射频收发组件中固支梁振动/电磁自供电微传感器的制备方法：首先准备砷化镓衬底，在衬底上用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法淀积氮化硅介质层并光刻以生长锚区，在砷化镓衬底上用涂覆方式淀积聚酰亚胺牺牲层并光刻以便于生长固支梁五层结构：在聚酰亚胺层上用蒸发淀积方式淀积第一层金并光刻形成微带贴片天线的结构，在第一层金上用PECVD法淀积氮化硅介质层并光刻形成微带天线的电介质基板，在氮化硅介质层上方用蒸发淀积方式淀积第二层金并光刻生成微带天线的接地板金属层同时也作为压电换能器的部分电极，在第二层金上用化学溶液淀积法淀积压电材料以生成压电换能器的压电薄膜层，在压电薄膜上用蒸发淀积方式淀积第三层金并光刻生成压电换能器的另外一部分电极，用湿法刻蚀释放聚酰亚胺牺牲层生成固支梁与衬底之间的空气层。最后通过封装完成固支梁和滤波电路、整流电路和储能电容的连接。

区分是否为该结构的标准：本发明的物联网射频收发组件中固支梁振动/电磁自供电微传感器，集成了针对机械振动能和杂散电磁能这两种能量收集模块，能够同时收集机械振动能和杂散电磁能，转换为直流能量实现系统自供电。两种能量收集自供电技术的集成还起到相互补充的作用：矩形微带贴片天线结构用作质量块以增强固支梁振动时的惯性力和形变，从而增加压电换能器的输出电能；而固支梁振动时会改变矩形微带贴片天线的接收方向，从而扩大收集电磁能的方向性范围。

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固支梁振动/电磁自供电微传感器。

Claims (2)

1.一种物联网射频收发组件中固支梁振动电磁自供电微传感器，其特征是在砷化镓衬底（6）上设有两个锚区（5），一个中间宽两边窄的MEMS固支梁的两端分别固定在两个锚区（5）上，该MEMS固支梁共由五层结构组成，从上往下依次为：上电极（1），压电薄膜（2），下电极（7），氮化硅电介质层（3）、矩形微带贴片天线及馈线（4）；由上电极（1），压电薄膜（2），下电极（7）构成压电转换模块，在MEMS固支梁的周围辅以滤波电路（8）、整流电路（9）和储能电容（10），同时实现针对机械振动能和杂散电磁能这两种能量收集模块的集成，解决了低功耗系统的自供电问题。

2.根据权利要求1所述的物联网射频收发组件中固支梁振动电磁自供电微传感器，其特征是所述的上电极、压电薄膜、下电极、整流电路和储能电容组成压电换能器，该压电换能器由两个压电转换模块相互串联构成，即一个压电转换模块的下电极串联另一个压电转换模块的上电极，电压从前一个压电转换模块的上电极和后一个压电转换模块的下电极引出；上电极和下电极分别覆盖在两个压电薄膜的上下表面，上电极、下电极和压电薄膜位于固支梁的最大应力处，固支梁靠近锚区的位置，即固支梁的两端各有一个压电换能器结构；固支梁中间较宽的部分作为矩形微带贴片天线的制作平台，没有放置压电换能器结构，用作固支梁结构中的质量块发挥作用，以增强固支梁振动时的惯性力和形变。当固支梁发生振动时会在压电薄膜的上下表面产生电荷，通过上电极和下电极的串联把两个压电换能器的输出电压叠加起来，压电换能器输出的电压送到整流电路进行交直流变换；最后送到储能电容用于向系统供电，压电换能器是将机械振动转换为直流电能，并能减小机械振动对系统结构和器件造成的损耗。

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