CN104638975A - 一种振动能量采集器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种振动能量采集器，包括框架、支撑梁、质量块、导体层和压电薄膜；其中：质量块，形成在支撑梁间且与支撑梁为一体结构；支撑梁，形成在框架内且两端悬挂固定于框架上；导体层，形成在质量块、支撑梁以及框架上且相互连通；压电薄膜，形成于支撑梁和质量块的导体层上。本发明的器件在振动中支撑梁发生弯曲变形，弯曲变形是与振幅相关的非线性形变，由于压电薄膜同支撑梁和质量块一同发生非线性形变，使得在较宽的振动频率范围内，器件都可以输出电信号，有效提高了振动能量采集器的性能。

Description

一种振动能量采集器及其形成方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统加工领域，特别涉及一种振动能量采集器及其形成方法。 

背景技术

近年来，随着电子设备和传感器等微电子机械系统应用的范围不断扩大，而传统的供电方式，如电化学电池等存在着寿命短、经常更换以及存储能量有限等缺点，已不能满足上述系统应用的需要。目前，提出的振动能量采集器是上述问题的解决方案之一。 

振动动能是广泛存在的一种能量，能量采集器是将环境中的振动能收集转化成电能输出的器件，基于振动的能量采集方法一般有三种：压电式、静电式和电磁式，压电能量采集器具有结构简单、能量密度高和寿命长的优点而备受关注。 

现有的多数振动能量采集器多为悬臂梁结构，只能工作在共振状态，而且固有频率也是一定的，这导致能量采集的工作频率较窄，限制了器件的应用范围。 

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，提供一种振动能量采集器及其形成方法，提高器件工作频率的范围。 

为此，本发明提供了如下技术方案： 

一种振动能量采集器，包括框架、支撑梁、质量块、导体层和压电薄膜；其中： 

质量块，形成在支撑梁间且与支撑梁为一体结构； 

支撑梁，形成在框架内且两端悬挂固定于框架上； 

导体层，形成在质量块、支撑梁以及框架上且相互连通； 

压电薄膜，形成于支撑梁和质量块的导体层上。 

可选地，所述压电薄膜为PVDF压电薄膜。 

可选地，所述框架为矩形框架，所述支撑梁的两端分别固定在框架的两个平行边上且与另两个平行边平行间隔。 

可选地，所述框架、支撑梁以及质量块的上表面齐平，质量块的下表面凸出支撑梁的下表面。 

此外，本发明还提供了一种振动能量采集器的形成方法，包括步骤： 

提供衬底，所述衬底有第一表面和第二表面； 

在第一表面上形成图案化的介质层和其上的导体层，介质层和导体层包括框架部分、一体的支撑梁部分和质量块部分，其中，质量块部分位于支撑梁部分之间，支撑梁部分位于框架部分内，支撑梁部分的两端分别与框架部分中的两个边相连； 

在第二表面上形成与质量块部分和框架部分相对应的掩膜层，从第二表面进行刻蚀，以形成质量块和框架； 

在导体层上形成压电薄膜； 

去除支撑梁和质量块一体部分与框架部分之间衬底，以释放支撑梁和质量块。 

可选地，所述压电薄膜为PVDF压电薄膜。 

可选地，形成所述介质层和其上的导体层的步骤为：在第一表面上淀积介质材料；利用金属剥离工艺在介质材料上形成图案化的金属导体层；刻蚀介质材料，以形成图案化的介质层。 

可选地，形成质量块的步骤具体为：在第二表面上形成与质量块部分和框架部分相对应的掩膜层，并在第一表面上设置保护层，而后利用湿法腐蚀，以形成质量块；去除保护层。 

可选地，释放支撑梁和质量块的步骤具体为： 

利用湿法腐蚀去除支撑梁和质量块一体部分与框架部分之间衬底，以释放支撑梁和质量块；或者 

以导体层为掩膜，从第一表面进行刻蚀去除支撑梁和质量块一体部分 与框架部分之间衬底，以释放支撑梁和质量块。 

可选地，所述框架为矩形框架，所述支撑梁的两端分别固定在框架的两个平行边上且与另两个平行边平行间隔。 

本发明实施例提供的振动能量采集器，质量块在支撑梁间，支撑梁为双端固定，质量块在横向不会发生位移，这样，在器件随环境上下振动的时候，质量块一起上下振动，导致双端固定的支撑梁发生弯曲变形，弯曲变形是与振幅相关的非线性形变，由于压电薄膜同支撑梁和质量块一同发生非线性形变，使得在较宽的振动频率范围内，器件都可以输出电信号，有效提高了振动能量采集器的性能。 

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中： 

图1-图6B为根据本发明实施例的振动能量采集器形成过程中的结构示意图，其中包括截面示意图和俯视图。 

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。 

正如背景技术中的描述，现有的振动能量采集器多为悬臂梁结构，在固有频率下工作，限制了器件的应用范围，为此，本发明提供了一种振动能量采集器，可在较宽的频率内对振动能量进行采集。 

参考图6、6A和6B所示，其中，图6A和6B分别为图6的AA向视图和BB向视图，该振动能量采集器包括：框架122、支撑梁124、质量块120、导体层106和压电薄膜110；其中： 

质量块120，形成在支撑梁124间且与支撑梁为一体结构； 

支撑梁124，形成在框架122内且两端悬挂固定于框架122上； 

导体层106，形成在质量块120、支撑梁124以及框架122上且相互连通； 

压电薄膜110，形成于支撑梁124和质量块120的导体层上。 

在本发明中，在器件随环境上下振动的时候，在惯性作用下质量块一起上下振动，由于支撑梁的两端固定在框架上，质量块形成在支撑梁间，质量块在横向不会发生位移，上下方向的振动使得双端固定的支撑梁主要发生非线性形变的弯曲变形，非线性形变的弹性系数与振幅相关，而振幅在振动过程中是变化的，使得振动频率在一定范围内变化，而压电薄膜同支撑梁和质量块一同发生非线性形变，使得在较宽的振动频率范围内，器件都可以输出电信号，有效提高了振动能量采集器的性能。 

在本发明中，框架起到支撑并固定支撑梁的作用，使得支撑梁带动质量块在上下方向振动，在具体的实施例中，框架可以为矩形框架，如图6所示，支撑梁的两端分别固定在框架的两个平行边上且与另两个平行边平行间隔。支撑梁与质量块为一体结构，如图6A、6B所示，框架、支撑梁以及质量块的上表面齐平，质量块的下表面凸出支撑梁的下表面。 

压电薄膜可以为任意具有压电特性的聚合物压电薄膜，优选地，可以为PVDF（聚偏氟乙烯）压电薄膜。 

此外，本发明还提供了上述振动能量采集器的形成方法，包括步骤： 

提供衬底，所述衬底有第一表面和第二表面； 

在第一表面上形成图案化的介质层和其上的导体层，介质层和导体层包括框架部分、一体的支撑梁部分和质量块部分，其中，质量块部分位于支撑梁部分之间，支撑梁部分位于框架部分内，支撑梁部分的两端分别与框架部分中的两个边相连； 

在第二表面上形成与质量块部分和框架部分相对应的掩膜层，从第二表面进行刻蚀，以形成质量块； 

在导体层上形成压电薄膜； 

去除支撑梁和质量块一体部分与框架部分之间衬底，以释放支撑梁和质量块。 

为了更好地理解本发明，以下将结合附图对具体的实施例的形成方法 进行详细的说明。 

首先，在步骤S01，提供衬底100，所述衬底具有第一表面和第二表面，如图1所示。 

所述衬底可以为半导体衬底，也可以为具有介质材料层的半导体衬底，还可以为具有介质材料层和导电层的半导体衬底，在本实施例中，所述衬底100为硅衬底。 

接着，在步骤S02，在第一表面上形成图案化的介质层102和其上的导体层106，如图3和图3A所示，其中，图3为第一表面的俯视图，图3A为图3的AA向视图。 

在本实施例中，具体地，首先在第一表面上淀积低应力的氮化硅的介质层102，如图2所示，而后，利用金属剥离工艺在介质层102上形成图案化的金属导体层，例如Au的金属导体层，图案化后的导体层具有框架部分106-1、一体的支撑梁部分106-3和质量块部分106-2；而后可以采用ICP（感应耦合等离子体）刻蚀该介质层，即将介质层图案化，以得到图案化的介质层，，图案化后的介质层102具有框架部分102-1、一体的支撑梁部分102-3和质量块部分102-2，如图3和图3A所示。本实施例中，框架部分102-1、106-1的图案为矩形框，支撑梁部分102-3、106-3连接在矩形框的两个平行边上，质量块部分102-2、106-2一体形成在支撑梁部分102-3、106-3之间，介质层102与导体层106具有相同的图案。 

接着，在步骤S03，从第二表面进行刻蚀，以形成质量块120和框架122，参考图4’和图4A、4B所示，其中图4’为第二表面的俯视图，图4A为AA向视图，图4B为BB向视图。 

在本实施例中，具体地，在第二表面淀积掩膜层，该掩膜层可以为氮化硅，可以在第一表面淀积介质层时进行淀积，而后，进行图案化，使得该掩膜层仅覆盖第二表面上质量块部分的对应区域104-2以及框架部分对应的区域104-1，如图3’所示，而后从第二表面进行刻蚀，具体地，将第一表面用玻璃片和保护胶保护好，放入温度为70℃、33%的KOH溶液中进行腐蚀，刻蚀到预定深度后停止，并去除第一表面上的玻璃片和保护胶，这样，从第二表面形成质量块120和框架122，如图4’和图4A和4B所示。 

接着，在步骤S04，在第一表面的质量块和支撑梁部分的导体层上106-2、106-3形成压电薄膜110，如图5和图5A、5B所示，其中图5为第一表面的俯视图，图5A为AA向视图，图5B为BB向视图。 

在质量块和支撑梁部分的导体层上106-2、106-3上涂单组分常温固化导电银胶，并粘贴上PVDF压电薄膜，如图5和图5A、5B所示。 

接着，在步骤S05，释放支撑梁124和质量块120，如图6和图6A、6B所示，其中图6为第一表面的俯视图，图6A为AA向视图，图6B为BB向视图。 

去除支撑梁和质量块一体部分106-2与框架部分106-1之间衬底100，来释放支撑梁和质量块。 

在本实施例中，利用湿法腐蚀去除支撑梁和质量块一体部分与框架部分之间衬底，以释放支撑梁和质量块。在另一实施例中，可以导体层为掩膜，从第一表面进行刻蚀去除支撑梁和质量块一体部分与框架部分之间衬底，以释放支撑梁和质量块。 

至此，形成了本发明实施例的振动能量采集器，该振动能量采集器的框架为矩形框，支撑梁和质量块一体形成，质量块位于支撑梁间，支撑梁的两端悬挂支撑在框架的两个平行边上，并与另两个平行边间隔设置，在框架上依次设置有介质层和导体层，在支撑梁和质量块上依次设置有介质层、导体层和压电薄膜，导体层相互导通，在一个表面支撑梁和质量块与框架相持平，在另一个表面，质量块向下凸出支撑梁的该表面。 

以上仅是实现本发明的优选实施例，所述制造方法仅仅是示例，本发明并不限于此。 

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。 

Claims (10)

1.一种振动能量采集器，包括框架、支撑梁、质量块、导体层和压电薄膜；其中：

质量块，形成在支撑梁间且与支撑梁为一体结构；

支撑梁，形成在框架内且两端悬挂固定于框架上；

导体层，形成在质量块、支撑梁以及框架上且相互连通；

压电薄膜，形成于支撑梁和质量块的导体层上。

2.根据权利要求1所述的振动能量采集器，其特征在于，所述压电薄膜为PVDF压电薄膜。

3.根据权利要求1所述的振动能量采集器，其特征在于，所述框架为矩形框架，所述支撑梁的两端分别固定在框架的两个平行边上且与另两个平行边平行间隔。

4.根据权利要求3所述的振动能量采集器，其特征在于，所述框架、支撑梁以及质量块的上表面齐平，质量块的下表面凸出支撑梁的下表面。

5.一种振动能量采集器的形成方法，其特征在于，包括步骤：

提供衬底，所述衬底有第一表面和第二表面；

在第一表面上形成图案化的介质层和其上的导体层，介质层和导体层包括框架部分、一体的支撑梁部分和质量块部分，其中，质量块部分位于支撑梁部分之间，支撑梁部分位于框架部分内，支撑梁部分的两端分别与框架部分中的两个边相连；

在第二表面上形成与质量块部分和框架部分相对应的掩膜层，从第二表面进行刻蚀，以形成质量块和框架；

在导体层上形成压电薄膜；

去除支撑梁和质量块一体部分与框架部分之间衬底，以释放支撑梁和质量块。

6.根据权利要求5所述的形成方法，其特征在于，所述压电薄膜为PVDF压电薄膜。

7.根据权利要求5所述的形成方法，其特征在于，形成所述介质层和其上的导体层的步骤为：在第一表面上淀积介质材料；利用金属剥离工艺在介质材料上形成图案化的金属导体层；刻蚀介质材料，以形成图案化的介质层。

8.根据权利要求5所述的形成方法，其特征在于，形成质量块的步骤具体为：在第二表面上形成与质量块部分和框架部分相对应的掩膜层，并在第一表面上设置保护层，而后利用湿法腐蚀，以形成质量块；去除保护层。

9.根据权利要求5所述的形成方法，其特征在于，释放支撑梁和质量块的步骤具体为：

利用湿法腐蚀去除支撑梁和质量块一体部分与框架部分之间衬底，以释放支撑梁和质量块；或者

以导体层为掩膜，从第一表面进行刻蚀去除支撑梁和质量块一体部分与框架部分之间衬底，以释放支撑梁和质量块。

10.根据权利要求5-9中任一项所述的形成方法，其特征在于，所述框架为矩形框架，所述支撑梁的两端分别固定在框架的两个平行边上且与另两个平行边平行间隔。