CN103840706B - 物联网射频收发组件中开孔悬臂梁振动能自供电微传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的射频收发机中的开孔悬臂梁振动能自供电微传感器，由一个主悬臂梁、8个副悬臂梁以及外围大电容和稳压电路组成。副悬臂梁制作在主悬臂梁两侧的自由边上。8个副悬臂梁上开有不同半径、间距以及数量的圆孔。本发明不仅具有传统的梁结构振动能自供电传感器的不发热、结构简单、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，而且由于振动能被收集，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。同时，通过设计副悬臂梁上的开孔的半径、间距以及数量来使得8个副悬臂梁具有8种不同的固有谐振频率，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。

Description

物联网射频收发组件中开孔悬臂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悬臂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

随着物联网技术的发展，射频收发组件被要求能够长时间低功耗地工作，因此射频收发组件的能量损耗的研究在物联网技术研究中是必不可少的。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。振动能的收集也引起了国内外的越来越多的关注。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。同时，随着现代通信系统的集成度越来越高，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尤为重要。得益于MEMS技术的发展，未来的微系统将具有更小的体积、更低的功耗和更高的集成度。因此，MEMS技术加工的振动能收集器对于降低未来通信系统的能量损耗将发挥巨大的作用。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。

振动能量转化为电能的方式一般有电磁式、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，悬臂梁结构发展较为成熟。主要是因为其结构简单且便于加工制作。在外部振动激励下，一定尺寸的附有压电材料的悬臂梁会发生谐振，使得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，从而把振动的能量转化为了电能。本发明即是基于悬臂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悬臂梁振动能自供电微传感器，不仅能有效的改善振动能量的损耗，为电路提供辅助的电源，并且由于振动能量被吸收了，某些射频组件的振动将会减弱，这样将会有利于这些射频组件的稳定工作。

技术方案：射频收发组件工作中发生的抖动通常会对其工作性能产生不利的影响，一般悬臂梁的固有谐振频率都高于而环境的振动频率，所以直接利用简单的悬臂梁结构的谐振来收集振动能实现自供电和抑制抖动具有一定局限性。单个梁振动能量收集器谐振时具有高的输出性能，但其谐振频率不能随环境的振动频率变化而改变，且频带宽度较窄，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，但是这样可能会阻碍振动能自供电传感器的微型化。

本发明的物联网射频收发组件中开孔悬臂梁振动能自供电微传感器以砷化镓衬底为基底，由一个主悬臂梁和八个尺寸相同的副悬臂梁构成，主悬臂梁的一端通过主悬臂梁的锚区固定在砷化镓衬底上，副悬臂梁的锚区制作在主悬臂梁两侧的自由边上，每一侧以相同的间隔分布有四个副悬臂梁，每个副悬臂梁的固有谐振频率都是不同，通过设计不同副悬臂梁上的圆孔的半径，相邻圆孔圆心的间距以及孔的数量，可以调整每个副悬臂梁的杨氏模量，泊松比还有密度，所以对于八个相同尺寸的副悬臂梁，设计八种不同的固有谐振频率；主悬臂梁的最下面是氮化硅层，氮化硅层的上面是下极板，下极板的上面是压电材料层，压电材料层的上面是上极板，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。

所述的副悬臂梁都开有一行圆孔，沿副悬臂梁的长度方向排列，同一个副悬臂梁上的圆孔的圆心在一条直线上，且相邻圆孔的圆心的间距相同，同一个副悬臂梁上的圆孔的半径相同；主悬臂梁其中一侧的4个副悬臂梁上圆孔的直径都为8μm，但对于这4个副悬臂梁，不同副悬臂梁上的相邻圆孔的圆心间距不同，分别为16μm，18μm，20μm和22μm，而对于主悬臂梁另一侧的4个副悬臂梁，其中两个副悬臂梁设计了直径为10μm的圆孔，相邻圆孔圆心间距分别为16μm和18μm，另外两个副悬臂梁设计了直径为12μm的圆孔，相邻圆孔圆心间距分别为18μm和20μm，这种具有多种固有谐振频率的设计能使收集的振动频率带宽增加，抑制了射频收发组件工作中不必要的抖动。

主悬臂梁和副悬臂梁可以分为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下两个极板。每个压电材料层的上下两个极板有金线引出。压电材料层通过引出的金线相互串联。上极板的金线引出到主悬臂梁的表面时，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。

为了能收集多种频率的振动的能量，提高频带宽度，本发明中设计了具有8种不同的固有谐振频率的副悬臂梁。副悬臂梁的谐振频率的不同是通过在副悬臂梁上设计不同的打孔处理来实现的。通过设计每个副悬臂梁上的圆孔半径，相邻圆孔圆心的间距以及孔的数量，来设计每个副悬臂梁的杨氏模量，泊松比还有密度的值，从而每个副悬臂梁就可以被设计出具有不同的固有谐振频率。所以对于8个相同尺寸副悬臂梁，就有可以设计8中不同的固有谐振频率。同时打孔处理能够减小副悬臂梁的固有谐振频率。

大多数射频收发组件会在工作过程中发生一定的振动，且这种振动一般不是单个频率的振动，而是多种不同振动频率的振动的叠加。而对于本发明中的主悬臂梁和副悬臂梁结构，我们可以设计8个副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匹配。这样，在射频收发组件的振动的激励下，副悬臂梁会发生谐振，产生较大的弯曲形变，同时也使得梁上的压电材料层发生形变。从而压电材料层的上下表面将产生电势差。由于所有压电材料层都是相互串联的，因此每个梁上的压电材料层的输出电压叠加后输出到外围的电容和稳压电路。

有益效果：本发明不仅能有效的改善振动能量的损耗，为电路提供辅助的电源，并且由于振动能量被吸收了，某些射频组件的振动将会减弱，这样将会有利于这些射频组件的稳定工作。同时，本发明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，能够很好地提高了射频收发组件的性能，降低功耗。

附图说明

图1为本发明开孔悬臂梁振动能自供电微传感器的示意图

图2为图1开孔悬臂梁振动能自供电微传感器的p-p’向的剖面图

图3为图1开孔悬臂梁振动能自供电微传感器主悬臂梁Q-Q’向的剖面图

图中包括：主悬臂梁1，副悬臂梁2，主悬臂梁的锚区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

本发明的物联网射频收发组件中开孔悬臂梁振动能自供电微传感器以砷化镓衬底4为基底，由一个主悬臂梁1和八个尺寸相同的副悬臂梁2构成，主悬臂梁1的一端通过主悬臂梁的锚区3固定在砷化镓衬底4上，副悬臂梁2的锚区制作在主悬臂梁1两侧的自由边上，每一侧以相同的间隔分布有四个副悬臂梁2，每个副悬臂梁2的固有谐振频率都是不同，通过设计不同副悬臂梁2上的圆孔6的半径，相邻圆孔6圆心的间距以及孔的数量，可以调整每个副悬臂梁2的杨氏模量，泊松比还有密度，所以对于八个相同尺寸的副悬臂梁2，设计八种不同的固有谐振频率；主悬臂梁1的最下面是氮化硅层5，氮化硅层5的上面是下极板9，下极板9的上面是压电材料层7，压电材料层7的上面是上极板8，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。

所述的副悬臂梁2开有一行圆孔6，沿副悬臂梁2的长度方向排列，同一个副悬臂梁2上的圆孔6的圆心在一条直线上，且相邻圆孔6的圆心的间距相同，同一个副悬臂梁2上的圆孔6的半径相同；主悬臂梁1其中一侧的4个副悬臂梁2上圆孔6的直径都为8μm，但对于这4个副悬臂梁2，不同副悬臂梁2上的相邻圆孔6的圆心间距不同，分别为16μm，18μm，20μm和22μm，而对于主悬臂梁1另一侧的4个副悬臂梁2，其中两个副悬臂梁2设计了直径为10μm的圆孔6，相邻圆孔6圆心间距分别为16μm和18μm，另外两个副悬臂梁2设计了直径为12μm的圆孔6，相邻圆孔6圆心间距分别为18μm和20μm，这种具有多种固有谐振频率的设计能使收集的振动频率带宽增加，抑制了射频收发组件工作中不必要的抖动。

主悬臂梁1和副悬臂梁2可以分为4层。最底层是氮化硅构成。在氮化硅层5之上附有压电材料层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，压电材料层7通过引出的金线相互串联。上极板8的金线10引出到主悬臂梁1的表面时，有一段悬空的引线12，以保证上电极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。

对于本发明中的主悬臂梁1和副悬臂梁2结构，我们可以根据射频收发组件的振动频率来设计其固有谐振频率，使得主悬臂梁1和副悬臂梁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5。

设计结构中的每个副悬臂梁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。通过设计每个副悬臂梁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，来设计每个副悬臂梁2的杨氏模量，泊松比还有密度的值，从而每个副悬臂梁2就有了不同的固有谐振频率。所以对于8个相同尺寸副悬臂梁2，就有可以设计8中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副悬臂梁2的固有谐振频率。

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

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，保留主悬臂梁1、副悬臂梁2的氮化硅介质，并去除副悬臂梁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，去除主悬臂梁1和副悬臂梁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和主悬臂梁1氮化硅表面的金连线；

7)在主悬臂梁1和副悬臂梁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和主悬臂梁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，去除主悬臂梁1和副悬臂梁2下方的砷化镓的光刻胶；

12)刻蚀主悬臂梁1和副悬臂梁2下方的砷化镓衬底4，形成主悬臂梁1和副悬臂梁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悬臂梁振动能自供电微传感器由多个不同固有谐振频率的副悬臂梁和一个主悬臂梁构成。在振动环境中，主悬臂梁和不同的副悬臂梁在不同的谐振频率点出发生谐振，使得副悬臂梁和主悬臂梁的压电材料会由于梁的振动发生弯曲形变，因而在压电材料上下表面产生电势差，并通过上电极和下电极输出。主悬臂梁和副悬臂梁上的压电材料使用串联的方式连接，电压叠加后输出到外围的大电容及稳压电路，从而实现了振动能到电能的转换。

本发明物联网射频收发组件中开孔悬臂梁振动能自供电微传感器有9个不同的谐振频率点，所以其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。在本发明中，通过在副悬臂梁上设计不同圆孔，包括其半径、相邻圆孔圆心间距以及数量，来调整每个尺寸相同的副悬臂梁的杨氏模量，泊松比还有密度，从而使每个副悬臂梁有了不同的固有谐振频率。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副悬臂梁的固有谐振频率，还可以避免副悬臂梁的长度的设计影响器件的微型化。

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悬臂梁振动能自供电微传感器。

Claims (2)

1.一种物联网射频收发组件中开孔悬臂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，由一个主悬臂梁(1)和八个尺寸相同的副悬臂梁(2)构成，主悬臂梁(1)的一端通过主悬臂梁的锚区(3)固定在砷化镓衬底(4)上，副悬臂梁(2)的锚区制作在主悬臂梁(1)两侧的自由边上，每一侧以相同的间隔分布有四个副悬臂梁(2)，每个副悬臂梁(2)的固有谐振频率都是不同，通过设计不同副悬臂梁(2)上的圆孔(6)的半径，相邻圆孔(6)圆心的间距以及孔的数量，可以调整每个副悬臂梁(2)的杨氏模量，泊松比还有密度，所以对于八个相同尺寸的副悬臂梁(2)，设计八种不同的固有谐振频率；主悬臂梁(1)的最下面是氮化硅层(5)，氮化硅层(5)的上面是下极板(9)，下极板(9)的上面是压电材料层(7)，压电材料层(7)的上面是上极板(8)，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)。

2.根据权利要求1所述的物联网射频收发组件中开孔悬臂梁振动能自供电微传感器，其特征是所述的副悬臂梁(2)开有一行圆孔(6)，沿副悬臂梁(2)的长度方向排列，同一个副悬臂梁(2)上的圆孔(6)的圆心在一条直线上，且相邻圆孔(6)的圆心的间距相同，同一个副悬臂梁(2)上的圆孔(6)的半径相同；主悬臂梁(1)其中一侧的4个副悬臂梁(2)上圆孔(6)的直径都为8μm，但对于这4个副悬臂梁(2)，不同副悬臂梁(2)上的相邻圆孔(6)的圆心间距不同，分别为16μm，18μm，20μm和22μm，而对于主悬臂梁(1)另一侧的4个副悬臂梁(2)，其中两个副悬臂梁(2)设计了直径为10μm的圆孔(6)，相邻圆孔(6)圆心间距分别为16μm和18μm，另外两个副悬臂梁(2)设计了直径为12μm的圆孔(6)，相邻圆孔(6)圆心间距分别为18μm和20μm，这种具有多种固有谐振频率的设计能使收集的振动频率带宽增加，抑制了射频收发组件工作中不必要的抖动。