CN103840707B - 物联网射频收发组件中悬臂梁振动电磁自供电微传感器 - Google Patents
物联网射频收发组件中悬臂梁振动电磁自供电微传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的物联网射频收发组件中悬臂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。该发明在砷化镓衬底上，由MEMS悬臂梁、滤波电路、整流电路和储能电容组成。MEMS悬臂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；与锚区连接的两个并列的窄梁支撑着末端的椭圆形结构。该发明两模块的集成能够相互补充，矩形微带贴片天线结构作为质量块增加悬臂梁振动时的惯性力和形变，而梁的振动扩展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，减少了杂散磁场和机械振动对射频收发组件的影响。
Description
技术领域
本发明提出了物联网射频收发组件中悬臂梁振动/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、微机电系统(MEMS)等微型智能系统领域的快速发展，如何有效地解决小型化和低功耗电子设备自供电问题已经引起广泛关注。目前仍然在大范围使用的传统化学蓄电池，如镍氢电池、锂聚合物电池等。传统化学蓄电池存在明显的缺点：其尺寸和重量大，携带不便，限制了微系统的小型化；可持久使用时间有限，需要更换电池或者充电，很多情况下更换电池的成本较高；废旧电池内含有大量重金属以及废酸、废碱等电介质溶液，会对环境造成巨大的威胁。得益于微功耗集成电路技术和MEMS技术的进步，近年来兴起的能量收集自供电技术为解决以上问题提供了有效方案，使得实现自供电的低功耗智能微型系统成为可能。鉴于射频收发组件的工作环境中，大量存在机械振动能和杂散磁场能两种环境能源。本发明是物联网射频收发组件中悬臂梁振动/电磁自供电微传感器，同时实现对杂散电磁能和机械振动能这两种环境能量的收集，转换和储存，以备使用。
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)发展中遇到的自供电和小型化问题，以已有的能量收集自供电技术为基础，为了提高对射频收发组件中的环境能量的收集效率，增强能量收集器的供电能力，本发明提出了物联网射频收发组件中悬臂梁振动/电磁自供电微传感器。这种双模式能量收集自供电系统集成了机械振动压电能量收集模块和杂散磁场电磁能量收集模块，两者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。
技术方案：本发明的物联网射频收发组件中悬臂梁振动/电磁自供电微传感器以砷化镓(GaAs)为衬底，以MEMS悬臂梁为基础制作压电换能器和整流天线系统，在悬臂梁的周围辅以滤波电路、整流电路和储能电容。
在砷化镓衬底上设有一个锚区，一个椭圆形结构的MEMS悬臂梁通过两个并列的窄梁连接到锚区上，该MEMS悬臂梁共有五层结构组成，从上往下依次为：上电极，压电薄膜，下电极，氮化硅电介质层和矩形微带贴片天线；由上电极，压电薄膜，下电极构成压电转换模块，在悬臂梁的周围辅以滤波电路、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补充，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。
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悬臂梁的最大应力处，悬臂梁靠近锚区的位置，即并列的两个窄梁部分各有一个压电能量转换模块。悬臂梁末端的椭圆形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，用作悬臂梁结构中的质量块发挥作用，增强了悬臂梁振动时的惯性力和形变。当悬臂梁发生振动时会在压电薄膜的上下表面产生电荷，通过上下电极的串联把两个压电换能器的输出电压叠加起来，如此可以增加输出电压值。压电换能器输出的电压送到整流电路进行交直流变换；最后送到储能装置用于向系统供电。压电换能器是将机械振动能转换为直流电能，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。微带贴片天线位于悬臂梁末端的椭圆形部分，其中接地板是共享压电转换器的电极构成，电介质层是氮化硅材料，偏心馈电的矩形微带贴片天线的馈线经过其中一个窄梁引出。矩形微带贴片天线接收到的周围环境杂散电磁波能量经过滤波电路和整流电路，之后转换为直流能量，然后送到储能电容。随着MEMS悬臂梁的振动，矩形微带贴片天线的方向性会发生变化，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微悬臂梁振动/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悬臂梁五层结构：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悬臂梁与衬底之间的空气层。最后通过封装完成悬臂梁和滤波电路、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悬臂梁振动/电磁自供电微传感器结构新颖；实现了对机械振动能和杂散电磁能这两种能量收集自供电技术的集成，减小了系统的尺寸和重量；另外两种能量收集模块的集成相互补充，悬臂梁的振动能够扩展整流天线收集电磁能的方向性范围，矩形微带贴片天线部分作为质量块增加了悬臂梁的惯性力和形变。同时，提高了系统的电磁兼容性，抑制了系统结构的抖动。
附图说明
图1为物联网射频收发组件中悬臂梁振动电磁自供电微传感器的顶视图；
图2为物联网射频收发组件中悬臂梁振动电磁自供电微传感器的底视图；
图3为图1-2物联网射频收发组件中悬臂梁振动电磁自供电微传感器沿A-A’方向的纵向剖面图；
图4为图1-2物联网射频收发组件中悬臂梁振动电磁自供电微传感器沿B-B’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悬臂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悬臂梁，在悬臂梁的周围辅以滤波电路8、整流电路9以及储能电容10。
MEMS悬臂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。悬臂梁跟锚区的连接处由两个并列的窄梁构成，两个并列的窄梁共同支撑着末端的椭圆形结构。悬臂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、下电极7、矩形微带贴片天线4采用的材料为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相互串联构成，即一个压电转换模块的下极板7串联另一个压电转换模块的上极板1，电压从前一个压电转换模块的上极板1和后一个压电转换模块的下极板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位于悬臂梁的最大应力处，悬臂梁靠近锚区的位置，即并列的两个窄梁部分各有一个压电能量转换模块。悬臂梁末端的椭圆形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，用作悬臂梁结构中的质量块发挥作用，增强了悬臂梁振动时的惯性力和形变。当悬臂梁发生振动时会在压电薄膜2的上下表面产生电荷，通过上下电极把两个压电换能器的输出电压串联起来。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位于悬臂梁末端的椭圆形部分，矩形微带贴片天线的馈线经过其中一个窄梁引出。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悬臂梁的振动，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微悬臂梁振动/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悬臂梁五层结构：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悬臂梁与衬底之间的空气层。最后通过封装完成悬臂梁和滤波电路、整流电路和储能装置的连接。
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中悬臂梁振动/电磁自供电微传感器，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：微带贴片天线结构用作质量块以增强悬臂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；而悬臂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悬臂梁振动/电磁自供电微传感器。
Claims (2)
1.一种物联网射频收发组件中悬臂梁振动电磁自供电微传感器，其特征是在砷化镓衬底(6)上设有一个锚区(5)，一个椭圆形结构的MEMS悬臂梁通过两个并列的窄梁连接到锚区(5)上，该MEMS悬臂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)；由上电极(1)，压电薄膜(2)，下电极(7)构成压电转换模块，在悬臂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；系统中两种能量收集模块相互补充，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。
2.根据权利要求1所述的物联网射频收发组件中悬臂梁振动电磁自供电微传感器，其特征是所述的上电极(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悬臂梁的最大应力处，悬臂梁靠近锚区的位置，即并列的两个窄梁部分各有一个压电能量转换模块；悬臂梁末端的椭圆形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，用作悬臂梁结构中的质量块发挥作用，增强了悬臂梁振动时的惯性力和形变。
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