CN105552210A - 基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器 - Google Patents

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杨斌
王兴昭
刘景全
杨春生
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Abstract

本发明提供了一种基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器，为折梁结构，其从最底层起，依次包括：衬底层、绝缘层、压电层和上电极层，所述绝缘层、压电层和上电极层之间键合，使用激光切割工艺，对所述衬底层、绝缘层、压电层和上电极层进行图形化，实现器件的低共振频率要求，使用深硅刻蚀工艺，对衬底层进行减薄，同时保留中心处的衬底厚度作为质量块。本发明器件具有共振频率较低，体积减小，工艺制作容易，转换效率高的特点，广泛适用于低频能量源的环境，且其工艺过程易实现而能够产量化。

Description

基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器
技术领域
本发明涉及一种能源技术领域的器件，更具体的说，涉及一种基于压电材料的微型能量采集器。
背景技术
近年来，随着微小型器件及传感器的研究的迅速发展，微型能量采集器作为一种新型自采集微能源器件，能够将周围环境中的能量通过磁-电、机械-电等转换方式转换为电能，提供给工作的微小型器件，在新能源领域中受到广泛关注和研究。
目前，采用传统工艺制备的压电能量采集器，分为薄膜压电型和厚膜压电型两种。其中，薄膜压电能量采集器的压电层是通过溶胶-凝胶、沉积等方法制备而成，其厚度在几微米到几十微米不等，便于实现微型化，但压电性能不如厚膜型。而厚膜压电能量采集器的压电层的制备工艺比较成熟，其厚度在几百微米以上，且压电性能较为优异，但是极难实现体积较小且频率较低的应用环境，且不易于实现MEMS技术加工集成。
对现有技术文献的检索发现，XinxinLi等人等在《Smartmaterialsandstructures》(2011)撰文“Bi-stablefrequencyup-conversionpiezoelectricenergyharvesterdrivenbynon-contactmagneticrepulsion”(“非接触式磁斥力双稳频压电能量采集器”《智能材料与结构期刊》)。该文设计并制备出了在10Hz频率下具有稳定输出8.4μW/cm3的压电能量采集器。WaliedMoussa等人在《SensorsandActuatorsA：Physical》撰文“Lowfrequencypiezoelectricenergyharvestingatmultivibrationmodeshapes”(“多振动模型下的低频压电能量采集器”《传感器和执行器A：物理》)。该文设计并制备了共振频率为71,84,188Hz三个模态下的能量采集器，同时对其输出性能进行了分析和比较。
发明内容
本发明提出一种基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器，通过压电效应产生的电压供能给外加电压源，在低频段的能源应用领域中提供了一种微小能量采集器的设计方案。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器，所述能量采集器为折梁结构，其从最底层起，依次包括：衬底层、绝缘层、压电层和上电极层，所述绝缘层、压电层和上电极层之间键合，使用激光切割工艺，对所述衬底层、绝缘层、压电层和上电极层进行图形化，实现器件的低共振频率要求，使用深硅刻蚀工艺，对衬底层进行减薄，同时保留中心处的衬底厚度作为质量块。
所述衬底层包括硅衬底，玻璃衬底或SOI衬底。
所述绝缘层包括二氧化硅、氮化硅。
所述压电层采用包括PZT或BCT-BZT具有压电性能，能够产生压电效应的材料。
所述上电极层为导电薄层。
所述能量采集器为d33压电能量采集器。
本发明采用基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器，在外界能量源的激励下，压电层内部产生应力和应变的变化，从而电极上产生输出电流和电压。本发明采用微细加工的方法进行制作，易于批量生产和微型化，同时将和CMOS电路进行集成，完成系统化功能器件。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的主视图；
图3是图2沿A-A的剖视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1～图3所示，本发明所公开的基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器，为折梁结构。包括：衬底层1，绝缘层2，压电层3，上电极层4。衬底层1位于最底层，并通过DRIE或湿法进行衬底背面的通孔刻蚀，在衬底层1上沉积绝缘层2，然后通过键合的方法与压电层3粘接，之后通过溅射或蒸发工艺实施上电极层4的制作。对该层金属或非金属电极图形化，然后通过化学刻蚀或干法刻蚀工艺蚀去释放上电极层4。通过激光切割工艺，对衬底层1，绝缘层2，压电层3，上电极层4进行图形化，实现对器件结构的较低共振频率要求。之后，使用深硅刻蚀工艺，对衬底层1进行减薄，同时保留中心处的衬底厚度作为质量块，衬底层厚度为设计功能层厚度。
衬底层1包括硅衬底，玻璃衬底或SOI衬底。
绝缘层2使用二氧化硅或氮化硅。
压电层3采用压电性能材料，包括PZT、BCT-BZT等具有压电性能，能够产生压电效应的材料。
上电极层4为导电薄层，包括各种导电非金属、金属及其化合物，如Au、Pt、Cu，石墨烯等。
在外界能量源的激励下，压电层薄膜或厚膜产生压电效应，内部的电荷发生位移从而产生了电场。将金属层累积的电荷采集，实现将外界机械能转换为电能的过程。
本发明所提供的将机械能转换为电能的压电器件，其低频、折梁结构通过激光切割工艺与深硅刻蚀工艺实现。采用PZT等压电材料，结合激光切割及深硅刻蚀工艺制备低频压电器件，与传统的悬臂梁结构压电器件结构不同，工艺过程不同。该器件具有共振频率较低，体积减小，工艺制作容易，转换效率高的特点，广泛适用于低频能量源的环境，且其工艺过程易实现而能够产量化。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器，其特征在于，从最底层起，依次包括：衬底层、绝缘层、压电层和上电极层，所述绝缘层、压电层和上电极层之间键合，使用激光切割工艺，对所述衬底层、绝缘层、压电层和上电极层进行图形化，实现器件的低共振频率要求，使用深硅刻蚀工艺，对衬底层进行减薄，同时保留中心处的衬底厚度作为质量块。
2.根据权利要求1所述的基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器，其特征在于，所述衬底层包括硅衬底，玻璃衬底或SOI衬底。
3.根据权利要求1所述的基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器，其特征在于，所述绝缘层包括二氧化硅或氮化硅。
4.根据权利要求1所述的基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器，其特征在于，所述压电层采用具有压电性能，能够产生压电效应的PZT或BCT-BZT材料。
5.根据权利要求1所述的基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器，其特征在于，所述上电极层为导电薄层。
6.根据权利要求1所述的基于激光切割工艺和深硅刻蚀工艺的低频能量采集器，其特征在于，所述能量采集器为d33压电能量采集器。
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