CN103840744B - 物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器，由一组尺寸相同的固支梁并排排列构成，固支梁的锚区分别固定在砷化镓衬底上，固支梁的底层是氮化硅层，氮化硅层上面是下极板，下极板上面是压电材料，压电材料上面是上极板，在固支梁下表面制作有天线结构，在固支梁周围环绕有竖立的MEMS热电堆，在固支梁上的中间设有ZnO/p-Si纳米级异质结，在ZnO/p-Si纳米级异质结的两侧的固支梁部分设有圆孔。本发明能够同时收集光能，热能，电磁能和振动能，有效降低射频收发组件的功耗，同时通过对热能、电磁能和振动能的收集，改善了射频收发组件的散热问题和电磁兼容问题，抑制了射频收发组件工作中的抖动，能有效的保证射频收发组件工作的稳定性。

Description

物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器

技术领域

本发明提出了物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

物联网是新一代信息技术的重要组成部分,随着物联网技术的研发和产业的发展,应用于物联网的射频收发组件被要求能够长时间低功耗的工作。因而，自供电技术对新一代射频收发组件实现这种目标将具有重大的意义。自供电传感器的能量来源有很多种，最为普遍的就是光能。同时，一般来说，射频收发组件消耗的功率不仅仅是用来供其工作，还有一部分不可避免的以发热、杂散波还有振动的形式被损失掉。这一部分能量若能被利用，将能大大改善射频收发组件的功耗问题，同时还能避免这些不必要的发热、杂散波和振动对射频收发组件的工作产生影响。因此，自供电传感器也可以利用收集这些能量来为电路提供辅助电源。

光能一般是采用光电材料制作成PN结或者异质结来收集，在光能收集方面，有大量的研究应用，发展比较成熟。随着MEMS技术发展，利用MEMS热电堆的seeback效应来收集热能并加以利用已成为可能。杂散波的收集一般可以设计特定的天线来收集。而振动能的收集一般有电磁式、压电式和静电式三种方式，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。而在目前众多的压电振动能收集结构中，固支梁结构的发展较为成熟。本发明即是基于固支梁结构设计的，通过同时收集光/热/电磁/振动能来电路提供辅助电源的自供电微纳传感器。

射频收发组件被要求能够长时间低功耗的工作，传统的射频收发组件的功率一部分用于其工作，但还有一部分以发热、杂散波和振动的形式损失掉，造成了不必要的能量损耗。对于一般的利用单个固支梁来收集振动能的装置，其谐振带宽较窄，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自供电传感器的微型化。

发明内容

技术问题:本发明的目的就是要克服以上问题，提供一种物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器。

技术方案：本发明的物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器由一组尺寸相同的固支梁并排排列构成，以砷化镓衬底为基底，砷化镓衬底以下是导热块，固支梁的锚区的两端分别固定在砷化镓衬底上，固支梁的基层是氮化硅层，氮化硅层上面是下极板，下极板上面是压电材料，压电材料上面是上极板，在固支梁下表面制作有天线结构，在固支梁周围环绕有竖立的MEMS热电堆，在固支梁上的中间设有ZnO/p-Si纳米级异质结，在ZnO/p-Si纳米级异质结2的两侧设有圆孔，

所述固支梁上设有圆孔，圆孔以矩形阵列的方式排列，在同一个固支梁上，圆孔都具有相同半径且每一行或者每一列相邻的圆孔之间的距离相等，各个固支梁彼此之间的圆孔半径、相邻的圆孔之间的距离及圆孔数量不相等。

本发明的物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器是由多个具有开孔的固支梁构成，以砷化镓衬底为基底，砷化镓衬底以下是导热块。在外围辅以大电容及稳压电路。固支梁由多种材料制作，主要部分是一层氮化硅层。所有固支梁的锚区制作在砷化镓衬底上，固支梁周围环绕着一圈直立的MEMS热电堆。在每个固支梁上，附有压电材料，压电材料选用纳米级PbTiZrO3。压电材料的上表面和下表面都有金层作为输出的上极板和下极板。上极板和下极板都有引线引出，所有固支梁上的压电材料通过串联的方式连接。同时，每个固支梁的中部都有一块利用ZnO和p型Si制作ZnO/p-Si纳米级异质结，由两根引线引出。所有ZnO/p-Si纳米级异质结也都是以串联的方式连接。在每个固支梁的最底层是利用金制作的天线结构,天线结构由引线引出。压电材料、ZnO/p-Si纳米级异质结、热电堆和天线结构的输出都连接到外围的大电容和稳压电路，以供后级电路使用。

为了使尺寸相同的一组固支梁具有不同的固有谐振频率，本发明所有的固支梁上都设计了不同的开孔方案。同一个固支梁上的圆孔都具有相同半径且每一行或每一列相邻的圆孔之间的距离相等。在固支梁的中部由于设计有ZnO/p-Si纳米级异质结，所以每个梁的中间一部分没有设计圆孔。通过设计每个固支梁上的圆孔的半径或者相邻圆孔圆心间距或者数量的不同，就可以使得每个固支梁的杨氏模量、泊松比和密度不同，这样就使得相同尺寸和相同材料的固支梁具有不同的固有谐振频率。

本发明的物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器，同时实现了对光能、热能、电磁能还有振动能的收集和利用。为了收集射频收发组件工作中辐射出的杂散波，在每个固支梁的底层都设计了天线结构。而在每个固支梁中部利用ZnO和p型Si制作异质结，可以有效地吸收光能，产生直流电流。每个固支梁上的异质结都以串联的方式连接，输出到外围的大电容和稳压电路，供给后级电路使用，实现了光能到电能的转换。在固支梁四周，制作了MEMS热电堆，热电堆的热端朝下，靠近射频收发组件的散热板，而冷端朝上，远离散热板。基于seeback效应，MEMS热电堆由于热端和冷端的温差产生直流电压。将该直流电压加到大电容上，可实现能量的储存。将产生的电压通过稳压电路，获得稳定的直流电压，实现了热能到电能的转换。本发明中，每个固支梁被设计出具有不同的固有谐振频率。在射频收发组件的振动的激励下，固支梁会发生谐振，产生较大的弯曲形变，同时也使得梁上的压电材料发生形变。从而压电材料的上下表面将产生电势差。由于所有压电材料都是相互串联的，因此每个梁上的压电材料的输出电压叠加后输出到外围的电容和稳压电路。这样就实现了振动能的收集。

有益效果：本发明的物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器能够同时收集光能、热能、电磁能和振动能四种不同的能量实现自供电，相比传统的收集单一能量的自供电传感器，本发明体积更小，供电能力大大提高，能够有效的降低射频收发组件的功耗。同时，射频收发组件工作中散发的热量和辐射的杂散波得到了有效吸收，增强了其散热性能，改善了其电磁兼容问题。而且，振动能的收集，抑制了射频收发组件工作中不必要的抖动，增强了其工作的稳定性。此外，本发明中，设计了一组具有不同固有谐振频率的打孔固支梁，收集的振动频带宽，能量的收集效率高。固支梁的振动还使得天线结构和ZnO/p-Si纳米级异质结发生转向，从而扩大了天线收集杂散电磁波能量和ZnO/p-Si纳米级异质结吸收光能的方向性范围。

附图说明

图1为本发明物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器的俯视图，

图2为本发明固支梁的结构示意图，

图3为本发明物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器的仰视图，

图4为图1的P-P’方向的剖视图，

图5为图1的Q-Q’方向的剖视图。

以上图中包括：固支梁1，ZnO/p-Si纳米级异质结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，MEMS热电堆13，导热块14，压电转换结构15，光电转换结构16。

具体实施方式

本发明的物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器是由多个固支梁1构成，以砷化镓衬底4为基底，砷化镓衬底4以下是导热块14。在外围辅以大电容及稳压电路11。固支梁1由多种材料构成，主要部分是一层氮化硅层5。所有固支梁的锚区3制作在砷化镓衬底4上，固支梁1周围环绕着一圈直立的MEMS热电堆13。在每个固支梁1上，附有压电材料7，压电材料7选用纳米级PbTiZrO3。压电材料7的上表面和下表面都有金层作为输出的上极板8和下极板9。上极板8和下极板9都有引线10引出，所有固支梁1上的压电材料7通过串联的方式连接。同时，每个固支梁1的中部都有一块利用ZnO和p型Si制作ZnO/p-Si纳米级异质结2，由两根引线10引出。所有ZnO/p-Si纳米级异质结2也都是以串联的方式连接。在每个固支梁1的最底层是利用金制作了天线结构12,天线结构12由引线10引出。压电材料7、ZnO/p-Si纳米级异质结2、热电堆13和天线结构12的输出都连接到外围的大电容和稳压电路11，以供后级电路使用。

为了使尺寸相同的一组固支梁1具有不同的固有谐振频率，本发明所有的固支梁1上都设计了不同的开孔方案。圆孔6以矩形阵列的方式排列。在同一个固支梁1上，圆孔6都具有相同半径且每一行或者每一列相邻的圆孔6圆心之间的距离相等。在固支梁1的中部由于设计有ZnO/p-Si纳米级异质结2，所以每个固支梁1的中间一部分没有设计圆孔6。通过设计每个固支梁1上的圆孔6的半径或者相邻圆孔圆心间距或者数量的不同，就可以使得每个固支梁1的杨氏模量、泊松比和密度不同，这样就使得相同尺寸和相同材料的固支梁1具有不同的固有谐振频率。

本发明的物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器，同时实现了对光能、热能、电磁能还有振动能的收集和利用。为了收集射频收发组件工作中辐射出的杂散波，在每个固支梁1的底层都设计了天线结构12。而在每个固支梁1中部制作有ZnO/p-Si纳米级异质结2，可以有效地吸收光能，产生直流电流，每个固支梁1上的ZnO/p-Si纳米级异质结2都以串联的方式连接，输出到外围的大电容和稳压电路11，供给后级电路使用，实现了光能到电能的转换。固支梁1的周围，制作一圈MEMS热电堆13，MEMS热电堆13的热端朝下，靠近射频收发组件的散热板，而冷端朝上，远离散热板。基于seeback效应，MEMS热电堆13由于热端和冷端的温差产生直流电压。将该直流电压加到大电容上，可实现能量的储存。将产生的电压通过稳压电路，获得稳定的直流电压，实现了热能到电能的转换。本发明中，每个固支梁1被设计出具有不同的固有谐振频率。在射频收发组件的振动的激励下，固支梁1会发生谐振，产生较大的弯曲形变，同时也使得固支梁1上的压电材料7发生形变。从而压电材料7的上下表面将产生电势差。由于所有压电材料7都是相互串联的，因此每个固支梁1上的压电材料7的输出电压叠加后输出到外围的电容和稳压电路11。这样就实现了振动能的收集。

本发明的物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器的制备过程如下：

1）准备砷化镓衬底4；

2）淀积氮化硅，在砷化镓衬底4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部分氮化硅，并去除固支梁1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7下极板9的金层；

5）涂覆光刻胶，去除固支梁1不打孔部分的光刻胶；

6）反刻钛/金/钛形成压电材料7的下极板9和金引线10；

7）在固支梁1上制备压电材料7；

8）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留上极板悬空的引线部分的牺牲层；

9）通过蒸发反刻形成压电材料7的上极板8和金引线10；

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下方的砷化镓的光刻胶；

12）刻蚀固支梁1下方的砷化镓衬底4，形成固支梁；

13）在固支梁1下表面制作天线结构12；

14）通过组装把MEMS热电堆13、ZnO/p-Si纳米级异质结2、导热块14和固支梁1结构装配在一起；

本发明与现有技术的区别在于：

本发明的物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器由多个具有不同固有谐振频率的固支梁构成。在固支梁周围设计有热电堆收集热能，在固支梁上制作了压电材料和ZnO/p-Si纳米级异质结来收集振动能和光能，固支梁的底层则设计了天线结构来吸收杂散波。本发明能够同时实现光能、热能、电磁能和振动能四种不同的能量的收集，降低了射频收发组件的功耗，大大提高了供电能力。同时本发明在吸收了热能、电磁能和振动能的同时，增强了射频收发组件的散热性能，改善了射频收发组件的电磁兼容问题，抑制了不必要的抖动，保证了射频收发组件工作的稳定性。在本发明中，通过在固支梁上设计不同圆孔，包括其圆孔半径、相邻圆孔圆心间距以及圆孔数量，来调整每个尺寸相同的固支梁的杨氏模量，泊松比还有密度，从而使每个固支梁有了不同的固有谐振频率，所以其所能收集的振动频率带宽增加，能量收集效率得到提高。同时，固支梁的振动还使得天线结构和ZnO/p-Si纳米级异质结发生转向，从而扩大了天线收集杂散电磁波能量和ZnO/p-Si纳米级异质结吸收光能的方向性范围。

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光/热/电磁/振动自供电微纳传感器。

Claims (2)

1.一种物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器，其特征是该微纳传感器由一组尺寸相同的固支梁(1)并排排列构成，以砷化镓衬底(4)为基底，砷化镓衬底(4)以下是导热块(14)，固支梁的锚区(3)的两端分别固定在砷化镓衬底(4)上，固支梁(1)的基层是氮化硅层(5)，氮化硅层(5)上面是下极板(9)，下极板(9)上面是压电材料(7)，压电材料(7)上面是上极板(8)，在固支梁(1)下表面制作有天线结构(12)，在固支梁(1)周围环绕有竖立的MEMS热电堆(13)，在固支梁(1)上的中间设有ZnO/p-Si纳米级异质结(2)，固支梁(1)上靠近锚区的两侧设有圆孔(6)。

2.根据权利要求1所述的物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器，其特征是所述固支梁(1)上设有的圆孔(6)，圆孔(6)以矩形阵列的形式排列，而且在同一个固支梁(1)上的圆孔(6)都具有相同半径且每一行或者每一列相邻的圆孔之间的距离相等，不同固支梁(1)彼此之间的圆孔半径、相邻的圆孔之间的距离及圆孔数量，三者都不相等。