CN103840709B - 物联网射频收发组件开孔混合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开孔混合梁振动电磁自供电微传感器，由一个固支梁、8个悬臂梁以及外围大电容和稳压电路组成。固支梁两侧的自由边上制作了八个尺寸相同悬臂梁。天线结构和压电材料层都设计在固支梁和悬臂梁上。本发明既实现了电磁能的收集又实现了振动能的收集，大大降低了射频收发组件的能量损耗，同时改善了电磁兼容的性能，抑制了不必要的抖动。而且，本发明的悬臂梁上的设计了不同的开孔方案来使得8个悬臂梁具有8种不同的固有谐振频率，增大了频率带宽，使得本发明在振动频率复杂多变的振动环境中具有更高的能量收集效率和供电能力。扩大了天线收集杂散电磁波能量的方向性范围。

Description

物联网射频收发组件开孔混合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开孔混合梁振动/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

物联网技术的高速发展对射频收发组件在低功耗、微型化方面的要求越来越高，而降低射频收发组件的功耗的一个有效的方法就是减少其工作中不必要的能量损耗。射频收发组件的能量损耗来自各个方面，而组件振动和杂散波所造成的能量的损耗是其中的两大关键。振动能和电磁能的收集已经成为微能源领域的主要研究方向并迅速发展。现有的电磁能和振动能收集器具有绿色环保，结构简单，免维护，成本低等优点，具有巨大的应用前景。同时，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技术加工微机械能量收集器对于降低未来物联网系统的功耗将发挥巨大的作用。振动/电磁自供电微传感器即是基于振动能和电磁能收集器，利用收集振动能和电磁能的方式来为工作电路提供辅助电源的新型传感器。

一般来说，有电磁式、压电式和静电式三种方式可以把振动能量转化为电能的。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。固支梁和悬臂梁结构在目前众多的压电振动能收集结构中发展较为成熟，应用也较多。主要是因为其结构简单且便于加工制作。本发明即是基于固支梁和悬臂梁结构设计的振动/电磁自供电微传感器。

射频收发组件工作过程中不可避免会有能量以杂散波或者振动的形式损失掉，造成了不必要的功率损耗。同时，杂散波的存在还会加剧射频收发组件的电磁兼容问题。此外，射频收发组件的某些不必要的振动还会影响其工作的稳定性。对于传统的设计，振动能的收集和电磁能的收集是以不同的结构来实现的，不利于集成。同时，一般固支梁和悬臂梁的固有谐振频率都比环境的振动频率高，所以直接利用简单的固支梁或悬臂梁结构的谐振来收集振动可能需要设计很长的梁结构。通常工作环境中的振动频率复杂多变，利用单个梁能量收集能量在谐振时具有高的输出性能，但频带宽度较窄，能量收集效率低。常用的提高频带宽度的方法是设计多个尺寸不同的梁，但是这样可能会导致振动/电磁自供电传感器的设计得过大。

发明内容

技术问题:本发明的目的是为了解决以上的技术问题，提供一种物联网射频收发组件开孔混合梁振动电磁自供电微传感器，不仅能收集振动能，还能收集电磁能，有效地减小电路功率的损耗，为电路提供辅助的电源。由于射频收发组件振动将会随着振动能的吸收而减弱，所以不必要的抖动得到抑制，增加了其工作的稳定性。

技术方案：本发明的一种物联网射频收发组件开孔混合梁振动电磁自供电微传感器由一个固支梁和八个悬臂梁构成，在外围辅以大电容和稳压电路，固支梁两端的固支梁的锚区分别固定在砷化镓衬底上，固支梁每一侧有四个并排排列的悬臂梁，悬臂梁的锚区在固支梁的两个侧边上；悬臂梁上设计有两行圆孔，圆孔以矩形阵列的形式排列，在同一个悬臂梁上圆孔的半径相同，每一行或每一列相邻圆孔之间的间距相同，固支梁和悬臂梁分为5层，分别是天线结构、氮化硅层、下极板、压电材料层和上极板，第二层是氮化硅层，氮化硅层下面是一层金制作成天线结构，第四层为压电材料层，与压电材料层上下表面接触的金层作为电压输出的上极板和下极板；每个悬臂梁的固有谐振频率都不同，这是由于梁上设计不同的开孔方案来实现的，其中，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，各悬臂梁上的相邻圆孔圆边的间距不同，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，两个悬臂梁上相邻圆孔圆边的间距分别为6μm和8μm；另外两个悬臂梁设计直径为12μm的圆孔，各悬臂梁上相邻圆孔圆边间距分别为6μm和8μm。

固支梁和悬臂梁可以分为5层。最底层第一层金，制作成天线结构。天线结构的输出由引线输出到大电容和稳压电路。第二层是氮化硅层，第三层和第五层都是金层，第四层是压电材料层，压电材料选用PbTiZrO₃。与压电材料层上下表面接触的金层作为电压输出的上下两个电极板。每个极板都有金线引出。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。其中所有的引线是在固支梁的表面相连的。上电极的引线引出到固支梁的表面时，有一段悬空的引线，以保证上电极不与压电材料的下表面接触。

在本发明中，电磁能是通过制作在固支梁和悬臂梁底层的天线来收集的。振动能是通过固支梁和悬臂梁结构的谐振过程来收集的。工作中的射频收发组件，发生的振动一般是多种不同振动频率的振动的叠加。为了能收集多种频率的振动的能量，本发明中设计了8个具有不同的固有谐振频率悬臂梁。这样，固支梁和悬臂梁会在射频收发组件的振动的激励下发生谐振，梁上的压电材料层也会随之发生形变。从而压电材料层的上下表面就产生了电势差。并且所有压电材料层都是以串联的方式连接，因此每个梁上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。

为了让8个相同尺寸的悬臂梁具有不同的固有谐振频率，本发明对每个悬臂梁设计了不同的开孔方案。由于不同悬臂梁上的圆孔半径，圆孔圆心的间距以及圆孔的数量不同，因此不同悬臂梁的杨氏模量，泊松比还有密度会有所差别，这样就可以达到设计不同谐振频率的目的，而且这种谐振频率不同是可控的。同时打孔处理能够减小悬臂梁的固有谐振频率。

有益效果：本发明不仅能收集振动能，还能收集电磁能，有效地减小电路功率的损耗，为电路提供辅助的电源。由于射频收发组件振动将会随着振动能的吸收而减弱，所以不必要的抖动得到抑制，增加了其工作的稳定性。同时，本发明中的振动/电磁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，能量的收集效率得到提高。而且，由于射频收发组件的杂散波被收集，更有利于其电磁兼容问题的解决，提高了射频收发组件的性能，此外悬臂梁的振动也使得其下表面的天线的随着振动发生转向，从而扩大了天线收集杂散电磁波能量方向性范围，增强了电磁能量收集的效率。

附图说明

图1为本发明开孔混合梁振动/电磁自供电微传感器的俯视图，

图2为本发明开孔混合梁振动/电磁自供电微传感器的仰视图，

图3为图1开孔混合梁振动/电磁自供电微传感器的P-P’向的剖面图，

图4为图1开孔混合梁振动/电磁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，天线结构12，悬空的引线13。

具体实施方式

本发明的物联网射频收发组件开孔混合梁振动电磁自供电微传感器由一个固支梁1和八个悬臂梁2构成，在外围辅以大电容和稳压电路11，固支梁1两端的固支梁的锚区3分别固定在砷化镓衬底4上，固支梁1每一侧有四个并排排列的悬臂梁2，悬臂梁2的锚区在固支梁1的两个侧边上；悬臂梁2上设计有两行圆孔6，圆孔6以矩形阵列的形式排列，在同一个悬臂梁2上圆孔6的半径相同，每一行或每一列相邻圆孔6之间的间距相同，固支梁1和悬臂梁2分为5层，分别是天线结构12、氮化硅层5、下极板9、压电材料层7和上极板8，第二层是氮化硅层5，氮化硅层5下面是一层金制作成天线结构12，第四层为压电材料层7，与压电材料层7上下表面接触的金层作为电压输出的上极板8和下极板9；每个悬臂梁2的固有谐振频率都不同，这是由于梁上设计不同的开孔方案来实现的，其中，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，各悬臂梁2上的相邻圆孔6圆边的间距不同，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6，两个悬臂梁2上相邻圆孔6圆边的间距分别为6μm和8μm；另外两个悬臂梁2设计直径为12μm的圆孔6，各悬臂梁2上相邻圆孔6圆边间距分别为6μm和8μm。

固支梁1和悬臂梁2可以分为5层。最底层第一层金，形成天线结构12，天线结构12的输出由引线10引出到大电容和稳压电路11。第二层是氮化硅层5，第三层和第五层都是金层，第四层在压电材料层7，压电材料选用PbTiZrO₃。与压电材料层7上下表面接触的金层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都有引线10引出。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。其中所有的引线10都是在固支梁1的表面相连的。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13，以保证上极板8不与压电材料层7的下表面接触。

在本发明中，电磁能是通过制作在固支梁1和悬臂梁2底层的天线结构12来收集的。振动能是通过固支梁1和悬臂梁2结构的谐振过程来收集的。为了能收集多种频率的振动的能量，本发明中设计了8个具有不同的固有谐振频率悬臂梁2。这样，固支梁1和悬臂梁2会在射频收发组件的振动的激励下发生谐振，梁上的压电材料层7也会随之发生形变。从而压电材料层7的上下表面就产生了电势差。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和稳压电路11。

为了让8个相同尺寸的悬臂梁2具有不同的固有谐振频率，本发明对每个悬臂梁2设计了不同的开孔方案。由于每个悬臂梁2上的圆孔6的半径，圆孔6圆心的间距以及圆孔6的数量不同，因此每个悬臂梁2的杨氏模量，泊松比还有密度会有所差别，这样就可以达到设计不同谐振频率的目的，而且这种谐振频率的不同是可控的。同时打孔处理能够减小悬臂梁2的固有谐振频率。

物联网射频收发组件开孔混合梁振动/电磁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，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；

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13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；

13)在固支梁1和悬臂梁2下表面制作天线结构12；

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开孔混合梁振动/电磁自供电微传感器能够同时收集电磁能和振动能。本发明由8个不同固有谐振频率的悬臂梁、一个固支梁构成，天线结构制作在固支梁和悬臂梁下表面。射频收发组件在工作中产生的杂散波被天线结构收集，减小了电磁能的损耗，改善了电磁兼容的问题。同时，悬臂梁的振动也使得其下表面的天线的随着振动发生转向，从而扩大了天线收集杂散电磁波能量方向性范围，增强了电磁能量收集的效率。由于本发明有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。由于非打孔梁的谐振频率一般比环境的振动的频率高很多，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，所以打孔不但可以简单方便地调整悬臂梁的固有谐振频率，还可以有效地解决非打孔梁的固有频率高于一般环境的振动频率的问题。

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开孔混合梁振动/电磁自供电微传感器。

Claims (1)

1.一种物联网射频收发组件开孔混合梁振动电磁自供电微传感器，其特征是该微传感器由一个固支梁(1)和八个悬臂梁(2)构成，在外围辅以大电容和稳压电路(11)，固支梁(1)两端的固支梁的锚区(3)分别固定在砷化镓衬底(4)上，固支梁(1)每一侧有四个并排排列的悬臂梁(2)，悬臂梁(2)的锚区在固支梁(1)的两个侧边上；悬臂梁(2)上设计有两行圆孔(6)，圆孔(6)以矩形阵列的形式排列，在同一个悬臂梁(2)上圆孔(6)的半径相同，且每一行或每一列相邻圆孔6之间的间距相同，固支梁(1)和悬臂梁(2)分为5层，分别是天线结构(12)、氮化硅层(5)、下极板(9)、压电材料层(7)和上极板(8)，第二层是氮化硅层(5)，氮化硅层(5)下面是一层金制作成天线结构(12)，第四层为压电材料层(7)，与压电材料层(7)上下表面接触的金层作为电压输出的上极板(8)和下极板(9)；每个悬臂梁(2)的固有谐振频率都不同，这是由于梁上设计不同的开孔方案来实现的，其中，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)，各悬臂梁(2)上的相邻圆孔(6)圆边的间距不同，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)，两个悬臂梁(2)上相邻圆孔(6)圆边的间距分别为6μm和8μm；另外两个悬臂梁(2)设计直径为12μm的圆孔(6)，各悬臂梁(2)上相邻圆孔(6)圆边间距分别为6μm和8μm。