CN105006994A - 一种压电-电磁复合式mems振动能量收集器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器及其制备方法，采用可动永磁体作为拾振结构，在振动环境作用下，可动永磁体在腔体内运动，引起螺旋电感线圈内的磁通量发生变化，进而导致在螺旋电感线圈与外接负载形成的闭合回路中产生感应电流，从而实现通过电磁感应方式将振动能转换为电能。此外，可动永磁体在腔体内运动时，其产生的压力或冲击导致第一方形膜或第二方形膜发生弯曲形变，进而引起压电层的形变产生压电电压，从而实现通过压电效应将振动能转换为电能，并通过连接压电层的压电电极将电压供给负载。本发明结合了电磁感应和压电效应等两种方式将振动能转化为电能，两者叠加在一起一并为负载供电。
Description
技术领域
本发明涉及一种收集环境中振动能量的能量收集器及其制备方法，尤其涉及一种基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术的压电-电磁复合式振动能量收集器及其制备方法。
背景技术
物联网在智能交通、医疗健康、环境监测、公共安全及国防军事等国计民生领域应用前景广阔，我国已把物联网作为战略产业加以大力推动。微能源技术负责为物联网的传感器节点提供电源，是物联网发展的关键技术之一。目前普遍采用化学能电池或燃料电池等微能源为节点供电，但是这类电池具有体积大及寿命有限的缺点，需要定期更换或进行燃料补充，而物联网具有传感器节点数众多且分布范围广泛等特点，定期地进行电池更换或维护不具备可行性。而能量收集器通过拾取环境能量(如光、振动等)转化为电能为节点供电。与化学能电池或燃料电池比较，它具有经济、环保且理论上无寿命限制等优点。太阳能、电磁辐射、温差、振动等都是可拾取的环境能源，与其它环境能源相比，振动是一种分布广泛的能量源，因此振动能量收集器具有广阔的发展前景。
根据不同的转换原理，振动能量收集器包括静电式、压电式及电磁式等三种类型，其中静电式能量收集器需要额外电源预充电才可以将振动能转化为电能，其结构和操作较为复杂。与静电式能量收集器比较，压电式和电磁式能量收集器分别基于压电效应和电磁感应效应实现将振动能转化为电能，具有结构和操作简单的优点。压电式和电磁式能量收集器各有优缺点：压电式能量收集器输出电压高，但输出电流低；电磁式能量收集器恰与之相反。因此，对于压电式和电磁式能量收集器，其输出功率均较低。传统压电式和电磁式能量收集器必须工作在谐振状态才可以获得高的能量收集效率。但是，环境中的振动具有频率成分多且多变的特点，因此，实际中该能量收集器很难工作在谐振状态，其能量收集效率较低；此外，传统的压电式和电磁式能量收集器往往仅能收集单一方向的振动能量，当工作在振动方向随机变化的环境时，它能收集到的振动能量十分有限，进一步限制了其能量收集效率。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提出一种结构具有高输出功率以及高振动能量收集效率的压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器及其制备方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器的制备方法，包括如下步骤：
(1)，选用硅作为第一衬底，通过热氧化的方法在第一衬底的上表面和下表面分别生长一层SiO2；
(2)，以第一衬底上表面和下表面的所述SiO2做掩膜，并使用TMAH试剂对第一衬底上表面和下表面分别进行各向异性刻蚀，刻蚀深度为100～300μm，刻蚀后在第一衬底的下表面中部和上表面中部分别形成一个凹槽，两个凹槽底部之间的硅层形成方形膜结构，所述方形膜结构的厚度为10～100μm；
(3)，使用HF溶液去除第一衬底表面的SiO2，并通过热氧化的方法在第一衬底的上表面以及上表面中部的凹槽底部和周侧区域重新生长100～1000nm厚度的SiO2，形成绝缘层；
(4)，使用溅射工艺在所述绝缘层表面制作一层Pt，作为压电电极；
(5)，使用溅射工艺在所述压电电极上制作一层200～2000nm厚度的PZT；
(6)，使用溅射工艺在所述PZT上沉积一层Pt，作为压电电极；
(7)，对所述PZT进行极化使其具备压电特性，形成压电层；
(8)，使用增强型化学气相沉积的方法在步骤(6)制备的所述压电电极上制作一层100～1000nm厚度的SiO2，形成绝缘层；
(9)，通过溅射在步骤(8)制备的绝缘层上依次制作一层Ti以及一层Cu，作为制作电感线的种子层；
(10)，通过喷涂法在所述Cu的表面形成一层光刻胶并光刻,定义出电感线层的图形，电感线层包括若干根间隔设置的电感线；
(11)，通过电镀的方法在已定义出的电感线层图形的区域生长10～30μm厚度的Cu；
(12)，通过刻蚀去除光刻胶以及被光刻胶覆盖的所述种子层，形成电感线层；
(13)，通过增强型化学气相沉积的方法在所述电感线层位于凹槽内的区域上制作一层1～10μm的SiO2并光刻，形成绝缘层；
(14)，按照步骤(1)-(13)，在第二衬底上表面中部和下表面中部分别形成一个凹槽，两个凹槽底部之间的硅层形成方形膜结构，然后在第二衬底的下表面以及下表面中部的凹槽的底部和周侧依次制备绝缘层、压电电极、压电层、压电电极、绝缘层、电感线层，然后在电感线层位于凹槽内的区域上制备绝缘层；
(15)，将可动永磁体置于第一衬底上表面的凹槽内，然后将第二衬底下表面的凹槽正对第一衬底上表面的凹槽，所述第一衬底和第二衬底上的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接并通过Cu-Cu之间共晶键合形成螺旋电感，第一衬底上表面的凹槽和第二衬底下表面的凹槽共同形成空腔。
一种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器，包括第一衬底，在所述第一衬底下表面中部开有第一凹槽，在所述第一衬底上表面中部开有第二凹槽，第一凹槽底部和第二凹槽底部之间的衬底区域形成第一方形膜结构；在所述第一衬底的上表面以及第二凹槽的底部和周侧由内向外依次设有第一绝缘层、第一压电电极、第一压电层、第二压电电极、第二绝缘层、第一电感线层，所述第一电感线层包括若干根间隔设置的电感线，每根电感线的中部位于第二凹槽内，每根电感线的首端和尾端分别位于第二凹槽外部，在所述第一电感线层位于第二凹槽内区域的表面设有第三绝缘层；
第二衬底，在所述第二衬底上表面中部开有第三凹槽，在所述第二衬底下表面中部开有第四凹槽，第三凹槽底部和第四凹槽底部之间的衬底区域形成第二方形膜结构；在所述第二衬底的下表面以及第四凹槽的底部和周侧由内向外依次设有第四绝缘层、第三压电电极、第二压电层、第四压电电极、第五绝缘层、第二电感线层，所述第二电感线层包括若干根间隔设置的电感线，每根电感线的中部位于第四凹槽内，每根电感线的首端和尾端分别位于第四凹槽外部，在所述第二电感线层位于第四凹槽内区域的表面设有第六绝缘层；
所述第二衬底设置于第一衬底上方，所述第二凹槽和第四凹槽共同形成空腔，所述第一电感线层与所述第二电感线层的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接形成螺旋电感，所述空腔内设有可动永磁体。
进一步的，所述第一电感线层和第二电感线层由一层Ti和一层Cu复合构成，第一电感线层和第二电感线层的电感线的首端和尾端之间通过Cu-Cu之间共晶键合。
进一步的，所述可动永磁体为球体或圆柱体。
进一步的，所述第一衬底和第二衬底为硅衬底，所述第一绝缘层、第二绝缘层、第四绝缘层以及第五绝缘层均为厚度在100～1000nm的SiO2，所述第三绝缘层和第六绝缘层均为厚度在1～10μm的SiO2，所述第二凹槽和第四凹槽的深度在100～300μm，所述第一方形膜结构和第二方形膜结构厚度为10～100μm。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的能量收集器结合了压电式和电磁式能量收集器的优点，可实现高的输出电压及高的输出电流，获得高的输出功率。
2、在振动环境中，本发明能量收集器的拾振结构可在腔体内自由运动，为非谐振式的拾振结构，与传统压电式或电磁式能量收集器中谐振式的拾振结构相比，其运动情况(如运动幅度等)受环境振动频率的影响小，并且能够响应不同方向的环境振动。无论振动频率和振动方向如何变化，本发明的能量收集器都能高效地收集到振动能量并转换为电能，因此，本发明的能量收集器具有高的能量收集效率。
3、本发明的能量收集器中的电磁式能量收集结构与压电式能量收集结构呈堆叠分布，并且共用相同的拾振结构(可动永磁体)，因此本发明的能量收集器具有结构简单紧凑、器件占用面积小的特点。
4、本发明采用MEMS技术制备，传感器具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及制造成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图；
图2为本发明的第一衬底的结构示意图；
图3本发明螺旋电感的结构示意图。
图中有：第一衬底100、第一凹槽101、第二凹槽102、第一方形膜结构103、第一下绝缘层104、第一压电电极105、第一压电层106、第二压电电极107、第二绝缘层108、第一电感线层109、第三绝缘层110、第二衬底200、第三凹槽201、第四凹槽202、第二方形膜结构203、第四绝缘层204、第三压电电极205、第二压电层206、第四压电电极207、第五绝缘层208、第二电感线层209、第六绝缘层210、可动永磁体303。
具体实施方式
一种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器的制备方法，包括如下步骤：
(1)，选用N型(100)硅作为第一衬底100，通过湿氧热氧化的方法在第一衬底100的上表面和下表面分别生长500nm厚度的SiO2。
(2)，以第一衬底上表面和下表面的SiO2做掩膜并使用TMAH(Tetramethyl ammoniumhydroxide，四甲基氢氧化铵)试剂对第一衬底上表面和下表面分别进行各向异性湿法刻蚀，刻蚀深度为100～300μm，刻蚀后在第一衬底的下表面中部形成第一凹槽101，在其上表面中部形成第二凹槽102，第一凹槽101底部和第二凹槽102底部之间的硅衬底区域形成第一方形膜结构103，方形膜的厚度为10～100μm；需要说明的是第一凹槽101和第二凹槽102的形状及尺寸可以不同。
(3)，使用HF(氢氟酸)溶液去除第一衬底100表面的SiO2，并通过湿氧热氧化的方法在第一衬底100上表面以及第二凹槽102底部和周侧区域重新生长100～1000nm厚度的SiO2，形成第一绝缘层104。
(4)，使用溅射工艺在第一绝缘层104表面制作一层Pt，作为第一压电电极105。
(5)，使用溅射工艺在第一压电电极105上制作一层200～2000nm厚度的PZT(leadzirconate titanate，锆钛酸铅)。
(6)，使用溅射工艺在PZT压电陶瓷上沉积一层Pt，作为第二压电电极107。
(7)，对步骤(5)制备的PZT进行极化使其具备压电特性，形成第一压电层106。
(8)，使用增强型化学气相沉积的方法在第二压电电极107上制作一层100～1000nm厚度的SiO2，形成第二绝缘层108。
(9)，通过溅射在步骤(8)制备的第二绝缘层108上依次制作一层100nm Ti以及500nm Cu，作为制作电感线的种子层。
(10)，通过喷涂法在Cu的表面形成一层光刻胶并光刻，通过掩膜版定义出第一电感线层109中电感线的图形，本实施例中第一电感线层109包括间隔设置的四根电感线，如图2所示。
(11)，通过电镀的方法在已定义出的电感线层图形的区域生长10～30μm厚度的Cu。
(12)，通过刻蚀去除光刻胶以及被光刻胶覆盖的种子层，形成第一电感线层109。
(13)，通过增强型化学气相沉积的方法在第一电感线层109位于第二凹槽102内区域上制作一层1～10μm的SiO2并光刻，形成第三绝缘层110。
(14)，按照步骤(1)-(13)，在第二衬底200上表面中部制备得到第三凹槽201，在其下表面中部制备得到第四凹槽202，第三凹槽201底部和第四凹槽202底部之间的硅层形成第二方形膜结构203，方形膜的厚度为10～100μm；需要说明的是第三凹槽201和第四凹槽202的形状及尺寸可以不同。然后在第二衬底200的下表面以及第四凹槽202的底部和周侧由内向外依次制备得到第四绝缘层204、第三压电电极205、第二压电层206、第四压电电极207、第五绝缘层208、第二电感线层209，并在第二电感线层209位于第四凹槽202内的区域上制备第六绝缘层210。其中，根据步骤(10)制备第二电感线层209时，根据压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器中的螺旋电感的结构以及以及第一电感线层109中各电感线的形状及位置，预先设计好第二电感线层209中电感线的形状及位置，使用相应的掩膜板通过光刻定义第二电感线层209的图形。
(15)，将可动永磁体303置于第一衬底100上的第二凹槽102内，然后将第二衬底200的第四凹槽202正对第一衬底的第二凹槽102，第一衬底100和第二衬底200上的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接并通过Cu-Cu之间共晶键合形成螺旋电感，第一衬底100的第二凹槽102和第二衬底200的第四凹槽202共同形成空腔，实现将可动永磁体限制在空腔内。
根据上述方法制备的压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器的结构如图1所示，包括形状为长条矩形的第一衬底100和第二衬底200。在第一衬底100下表面中部开有第一凹槽101，在第一衬底100上表面中部开有第二凹槽102，第一凹槽101的底部正对第二凹槽102的底部，第一凹槽101底部和第二凹槽102底部之间的衬底区域形成第一方形膜结构103。在第一衬底100的上表面以及第二凹槽102的底部和周侧由内向外依次为第一绝缘层104、第一压电电极105、第一压电层106、第二压电电极107、第二绝缘层108、第一电感线层109，在第一电感线层109位于第二凹槽102内区域的表面设有第三绝缘层110。其中，第一电感线层109包括间隔设置的四根电感线，每根电感线的中部位于第二凹槽102内，每根电感线的首端和尾端分别位于第二凹槽102外部。在第二衬底200上表面中部开有第三凹槽201，在第二衬底200下表面中部开有第四凹槽202，第三凹槽201底部和第四凹槽202底部之间的衬底区域形成第二方形膜结构203。在第二衬底200的下表面以及第四凹槽202的底部和周侧由内向外依次为第四绝缘层204、第三压电电极205、第二压电层206、第四压电电极207、第五绝缘层208、第二电感线层209，在第二电感线层209位于第四凹槽202内区域的表面设有第六绝缘层210。其中，第二电感线层209包括间隔设置的三根电感线，每根电感线的中部位于第四凹槽202内，每根电感线的首端和尾端分别位于第四凹槽202外部。第二衬底200设置于第一衬底100上方，第二凹槽102和第四凹槽202共同形成空腔，第一电感线层109与第二电感线层209的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接形成螺旋电感，可动永磁体303置于空腔内，可动永磁体为球体或圆柱体。
其中，第一电感线层109与第二电感线层209的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接形成螺旋电感，具体为：第一电感线层109中沿衬底长度排列方向的第(i+1)根电感线的尾端与第二电感线层209中排列方向的第(i+1)根电感线的尾端通过Cu-Cu键合，第一电感线层109中排列方向的第(i+1)根电感线的首端与第二电感线层209中排列方向的第i根电感线的首端通过Cu-Cu键合，螺旋电感的两端具有引出端。螺旋电感的结构如图3所示，图中所示的第一衬底100上的第一电感线层109具有4根电感线，第二衬底200上的第二电感线层209具有3根电感线，第一衬底100上的第一电感线层109的第一根电感线的首端和第四根电感线的尾端作为螺旋电感的引出端。
第一绝缘层104和第二绝缘层107为厚度在100～1000nm的SiO2，该绝缘层的作用在于将衬底与电感线隔离，防止衬底与电感线短接。第一方形膜103和第二方向膜203的厚度在10～100μm，在此范围内较薄的方形膜可产生大形变，有助于能量收集器的压电层输出大的压电电压，较厚的方形膜有利于增强能量收集器的机械强度。第二绝缘层108和第五绝缘层208为厚度在100～1000nm的SiO2，用于将电感线层与压电电极隔离，防止短接，同时作为保护层防止后续刻蚀工艺对压电电极造成损伤。第三绝缘层110和第六绝缘层210为厚度在1～10μm的SiO2，用于防止可动永磁体的运动对螺旋电感以及压电层造成的磨损，以提高收集器的可靠性。第一电感线层109和第二电感线层209由一层Ti和一层Cu复合构成，通过Ti提高Cu与绝缘层之间的粘附性；并且采用Cu降低电感线的寄生电阻，提高电感的品质因数；并通过第一电感线层109电感线的Cu与第二电感线层209电感线的Cu之间共晶键合，实现将第一衬底100与第二衬底200组合在一起，形成螺旋电感和空腔。
该压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器采用可动永磁体作为拾振结构，在振动环境作用下，可动永磁体303在腔体内运动，引起螺旋电感线圈内的磁通量发生变化，进而导致在螺旋电感线圈与外接负载形成的闭合回路中产生感应电流，从而实现通过电磁感应方式将振动能转换为电能。此外，可动永磁体303在腔体内运动时，其产生的压力或冲击导致第一方形膜103或第二方形膜203发生弯曲形变，位于相应方形膜的压电层由于形变引起的应变产生压电电压，从而实现通过压电效应将振动能转换为电能，并通过连接压电层的压电电极将电压供给负载。本发明结合了电磁感应和压电效应等两种方式将振动能转化为电能，两者叠加在一起一并为负载供电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)，选用硅作为第一衬底，通过热氧化的方法在第一衬底的上表面和下表面分别生长一层SiO2；
(2)，以第一衬底上表面和下表面的所述SiO2做掩膜，并使用TMAH试剂对第一衬底上表面和下表面分别进行各向异性刻蚀，刻蚀深度为100～300μm，刻蚀后在第一衬底的下表面中部和上表面中部分别形成一个凹槽，两个凹槽底部之间的硅层形成方形膜结构，所述方形膜结构的厚度为10～100μm；
(3)，使用HF溶液去除第一衬底表面的SiO2，并通过热氧化的方法在第一衬底的上表面以及上表面中部的凹槽底部和周侧区域重新生长100～1000nm厚度的SiO2，形成绝缘层；
(4)，使用溅射工艺在所述绝缘层表面制作一层Pt，作为压电电极；
(5)，使用溅射工艺在所述压电电极上制作一层200～2000nm厚度的PZT；
(6)，使用溅射工艺在所述PZT上沉积一层Pt，作为压电电极；
(7)，对所述PZT进行极化使其具备压电特性，形成压电层；
(8)，使用增强型化学气相沉积的方法在步骤(6)制备的所述压电电极上制作一层100～1000nm厚度的SiO2，形成绝缘层；
(9)，通过溅射在步骤(8)制备的绝缘层上依次制作一层Ti以及一层Cu，作为制作电感线的种子层；
(10)，通过喷涂法在所述Cu的表面形成一层光刻胶并光刻,定义出电感线层的图形，电感线层包括若干根间隔设置的电感线；
(11)，通过电镀的方法在已定义出的电感线层图形的区域生长10～30μm厚度的Cu；
(12)，通过刻蚀去除光刻胶以及被光刻胶覆盖的所述种子层，形成电感线层；
(13)，通过增强型化学气相沉积的方法在所述电感线层位于凹槽内的区域上制作一层1～10μm的SiO2并光刻，形成绝缘层；
(14)，按照步骤(1)-(13)，在第二衬底上表面中部和下表面中部分别形成一个凹槽，两个凹槽底部之间的硅层形成方形膜结构，然后在第二衬底的下表面以及下表面中部的凹槽的底部和周侧依次制备绝缘层、压电电极、压电层、压电电极、绝缘层、电感线层，然后在电感线层位于凹槽内的区域上制备绝缘层；
(15)，将可动永磁体置于第一衬底上表面的凹槽内，然后将第二衬底下表面的凹槽正对第一衬底上表面的凹槽，所述第一衬底和第二衬底上的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接并通过Cu-Cu之间共晶键合形成螺旋电感，第一衬底上表面的凹槽和第二衬底下表面的凹槽共同形成空腔。
2.一种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器，其特征在于：包括第一衬底(100)，在所述第一衬底(100)下表面中部开有第一凹槽(101)，在所述第一衬底(100)上表面中部开有第二凹槽(102)，第一凹槽(101)底部和第二凹槽(102)底部之间的衬底区域形成第一方形膜结构(103)；在所述第一衬底(100)的上表面以及第二凹槽(102)的底部和周侧由内向外依次设有第一绝缘层(104)、第一压电电极(105)、第一压电层(106)、第二压电电极(107)、第二绝缘层(108)、第一电感线层(109)，所述第一电感线层(109)包括若干根间隔设置的电感线，每根电感线的中部位于第二凹槽(102)内，每根电感线的首端和尾端分别位于第二凹槽(102)外部，在所述第一电感线层(109)位于第二凹槽(102)内区域的表面设有第三绝缘层(110)；
第二衬底(200)，在所述第二衬底(200)上表面中部开有第三凹槽(201)，在所述第二衬底(200)下表面中部开有第四凹槽(202)，第三凹槽(201)底部和第四凹槽(202)底部之间的衬底区域形成第二方形膜结构(203)；在所述第二衬底(200)的下表面以及第四凹槽(202)的底部和周侧由内向外依次设有第四绝缘层(204)、第三压电电极(205)、第二压电层(206)、第四压电电极(207)、第五绝缘层(208)、第二电感线层(209)，所述第二电感线层(209)包括若干根间隔设置的电感线，每根电感线的中部位于第四凹槽(202)内，每根电感线的首端和尾端分别位于第四凹槽(202)外部，在所述第二电感线层(209)位于第四凹槽(202)内区域的表面设有第六绝缘层(210)；
所述第二衬底(200)设置于第一衬底(100)上方，所述第二凹槽(102)和第四凹槽(202)共同形成空腔，所述第一电感线层(109)与所述第二电感线层(209)的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接形成螺旋电感，所述空腔内设有可动永磁体(303)。
3.根据权利要求2所述的一种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器，其特征在于：所述第一电感线层(109)和第二电感线层(209)由一层Ti和一层Cu复合构成，第一电感线层(109)和第二电感线层(209)的电感线的首端和尾端之间通过Cu-Cu之间共晶键合。
4.根据权利要求2或3所述的一种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器，其特征在于：所述可动永磁体(303)为球体或圆柱体。
5.根据权利要求4所述的一种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器，其特征在于：所述第一衬底(100)和第二衬底(200)为硅衬底，所述第一绝缘层(104)、第二绝缘层(108)、第四绝缘层(204)以及第五绝缘层(208)均为厚度在100～1000nm的SiO2，所述第三绝缘层(110)和第六绝缘层(210)均为厚度在1～10μm的SiO2，所述第二凹槽(102)和第四凹槽(202)的深度在100～300μm，所述第一方形膜结构(103)和第二方形膜结构(203)厚度为10～100μm。
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