CN107808926A - 一种基于压电厚膜mems工艺的微能量采集器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微能量采集技术领域，且公开了一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器及其制备方法，所述微能量采集器包括上电极、下电极、硅固定基座、压电悬臂梁、质量块；所述压电悬臂梁的一端固定连接在所述硅固定基座的内侧壁上，并向与所述内侧壁相对的另一侧内侧壁延伸；所述压电悬臂梁的另一端固定连接悬空的所述质量块；所述上电极和所述下电极形成于硅固定基座上，且所述压电悬梁臂且所述上电极覆盖在所述压电悬梁臂上。本基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器及其制备方法具备可以使压电厚膜的压电性能大大提升，也可以制备出压电厚膜，而且可制备器件结构更加的多样化和复杂化更高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微能量采集技术领域，具体为一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器及其制备方法。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)制造工艺是下至纳米尺度，上至毫米尺度微结构加工工艺的通称，广义上的MEMS制造工艺，方式十分丰富，几乎涉及了各种现代加工技术，起源于半导体和微电子工艺，以光刻、外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工技术。
近年来随着无线传感网络技术的不断发展，其在各个领域都有长足的发展，但是目前对于无线传感节点等器件的电能供电方式上，还是传统的供能方式，即自身携带电源供电，由于自身携带电电源供电电量有限，采用更换电池的方式具有局限性，因此为了减少电子元件电池更换的频率，人们开始致力于在电子元件周围中吸收能量并转换为电能为其供电，而振动能是环境中广泛存在的一种能量，微能量采集器就是收集环境振动能转换为电能给无线传感节点和电子器件供电。
对现有的技术检索发现，P.Janphuang等人在《Vibrational piezoelectricenergy harvesters based on thinned bulk PZT sheets fabricated at the waferlevel》(Sensors and Actuators A:Physical，1April 2014)中提到PZT作为一种压电材料具有很多优点，目前制作PZT薄膜的方法有很多，例如：溅射、外延生长、溶胶凝胶法及丝网印刷等方法，但是这些方法大都存在一些缺点，譬如制作过程需要高温环境会对材料压电性能造成影响，薄膜的厚度受到所用技术限制，材料的均匀性、可靠性等难以保证，重复过程比较困难等等，采用块状PZT可以很好地解决这些问题，因而PZT减薄的技术极其重要，唐刚等人在《Fabrication and analysis of high-performance piezoelectric MEMSgenerators》(JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING，2012)中将块状PZT与硅衬底键合后减薄制作成悬臂梁结构，其固有频率达到520Hz左右，器件性能得到很大提升，但是由于压电层制作在刚性衬底上的，从而限制了器件的固有频率的降低，这就大大缩减了器件的应用范围。
目前对于微能量采集器的设计有很多种类，其中一类就是基于MEMS工艺的压电式能量采集器，该器件的常用结构是压电悬臂梁自由端附着质量块，压电悬臂梁的结构一般是多层堆叠结构，由支撑层、电极层、压电薄膜或者厚膜层组成，现在普遍的基于压电薄膜的微能量采集器的压电层的制备方式是在各类基底(例如：硅、铜)上覆盖一层压电膜，其通常获取压电薄膜采用的方式是sol－gel旋涂工艺或者丝网印刷，但是压电薄膜本身其压电晶体致密性不好，并且存在大量的气孔，导致压电性能不好，而且由于工艺限制，其微能量采集器设计结构比较简单，并且在一个制备流程中只能制备一种结构的微能量采集器，不能实现同时制备多种结构的微能量采集器。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器及其制备方法，具备压电厚膜压电性能大大提升，而且可制备器件结构的多样化和复杂化更高等优点，解决了传统工艺制备的压电薄膜压电性能不好，且设计结构简单的问题。
(二)技术方案
为实现上述压电厚膜压电性能大大提升，而且可制备器件结构的多样化和复杂化更高的目的，本发明提供如下技术方案：一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器，其特征在于：
所述微能量采集器包括：上电极、下电极、硅固定基座、压电悬臂梁、质量块；
其中，所述压电悬臂梁的一端固定连接在所述硅固定基座的内侧壁上，并向与所述内侧壁相对的另一侧内侧壁延伸；
其中，所述压电悬臂梁的另一端固定连接悬空的所述质量块；
其中，所述上电极和所述下电极形成于硅固定基座上，且所述上电极覆盖在所述压电悬梁臂上。
优选的，所述硅固定基座、压电悬梁臂和质量块均为通过硅片和压电陶瓷片键合、镀膜制备的多层结构。
优选的，压电悬梁臂从下到上依次为：Si层、SiO2层、下电极金属Cu层、PZT层、上电极金属Cu层和SiO2层；硅固定基座和质量块从下到上依次为：SiO2层、Si层、SiO2层、下电极金属Cu层、PZT层、上电极金属Cu层和SiO2层。
优选的，压电悬梁臂从下到上各层的厚度分别为：Si层为150um、SiO2层为500nm、下电极金属Cu层为30.5um、PZT层为65um、上电极金属Cu层为1um，顶层SiO2为500nm；硅固定基座和质量块从下到上各层的厚度分别为：SiO2层为500nm、Si层为500um、SiO2层为500nm、下电极金属Cu层为30.5um、PZT层为65um、上电极金属Cu层为1um、顶层SiO2层为500nm。
优选的，所述硅固定基座的形状为矩形框或者正方形框。
一种如上任一项所述的一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)在二氧化硅片上依次电镀Cu和Sn作为键合层，同时也是下电极层，且二氧化硅片的中间为硅，两侧是二氧化硅；
2)在压电陶瓷片上电镀Cu作为键合层，同时也是下电极层；
3)将做好电镀工艺的压电陶瓷片和二氧化硅片进行共晶键合，之后对键合片机械减薄、研磨并抛光；
4)根据设计好的器件结构图，使用激光切割机划取器件的图形；
5)在键合片上镀金属Cu，作为上电极层；
6)旋涂光刻胶，光刻、显影出器件上电极形状并刻蚀出上电极的形状；
7)使用PECVD生长一定厚度的SiO2介质膜，作为电极的保护层；
8)旋涂光刻胶，光刻、显影出两个电极引线接口并刻蚀出两个电极的引线接口；
9)进行背面深硅刻蚀，完成梁的释放，最终完成器件的制备。
优选的，所述步骤1)具体为：在4英寸二氧化硅片上电镀6um厚度Cu和6.5um厚度Sn做为键合层，同时也是下电极层，其中二氧化硅片的中间为500um厚度的硅，两侧是500nm的二氧化硅；所述步骤2)具体为：在4英寸的压电陶瓷片上电镀6.5um厚度Cu做为键合层，同时也是下电极层；所述步骤5)具体为：在键合片上镀1um厚度的金属Cu，作为上电极层；所述步骤7)具体为：使用PECVD生长500nm厚度的SiO2介质膜，作为电极的保护层。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供的基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器及其制备方法，具备以下有益效果：
1、通过压电陶瓷片与二氧化硅片共晶键合，配合电镀工艺将金属Cu和金属Sn电镀在二氧化硅片和压电陶瓷片上作为电极，可以通过这种方式获得压电厚膜，而且不会产生气泡，相对于压电薄膜，该压电厚膜的压电性能更强。
2、通过激光切割进行器件的图形化，可以实现器件结构的更加多样和复杂，而且可操控性更强。
3、通过键合、电镀和激光切割等制备工艺，使得在同一批次的器件制备中可以同时制备多种结构的器件，可以同时制备不同结构的微能量采集器，使得制备微能量采集器的制备效率更高。
附图说明
图1：为本发明提出的微能源采集器的三维结构图；
图2：为本发明提出的一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量制备的MEMS工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
图1是微能源采集器的三维结构图，包括了：上电极、下电极、硅固定基座、压电悬臂梁、和与压电悬臂梁一端固定连接并悬空的质量块。其中，所述压电悬臂梁的一端固定连接在所述硅固定基座的内侧壁上，并向与所述内侧壁相对的另一侧内侧壁延伸。所述压电悬臂梁的另一端固定连接悬空的所述质量块。所述上电极和所述下电极形成于硅固定基座上，且所述上电极覆盖在所述压电悬梁臂上。
其中压电悬臂梁是通过硅片和压电陶瓷片键合、镀膜制备的多层结构,从下到上依次为:150um厚度的Si层、500nm厚度的SiO2层、30.5um厚度的下电极金属Cu层、65um厚度的PZT层、1um厚度的上电极金属Cu层和500nm厚度的SiO2层。硅固定基底和质量块的结构相同，与压电悬臂梁的结构在于最底层多了一层500nm的SiO2层和在压电悬臂梁是150um厚度的Si层在硅固定基底与质量块中为500um厚度。
器件的工作原理是由于周围环境的振动的激励,引起了压电悬臂梁的振动,从而使压电陶瓷发生周期性形变产生电能,基于压电效应实现振动能向电能的转换。
实施例二：
图2是整个器件制备的MEMS工艺流程图，该工艺流程主要包含了金属电极的制作、PZT压电陶瓷与基底的键合、压电厚膜工艺、器件图形化工艺以及悬臂梁的释放工艺，实现了基于压电厚膜MEMS工艺的微能源采集器的制备。具体的工艺流程：
(a)在4英寸二氧化硅片(中间为500um厚度的硅，两侧是500nm的二氧化硅)上电镀6um厚度Cu和6.5um厚度Sn做为键合层，同时也是下电极层；
(b)在4英寸的压电陶瓷片上电镀6.5um厚度Cu做为键合层，同时也是下电极层；
(c)将做好电镀工艺的压电陶瓷片和二氧化硅片进行共晶键合，之后对键合片机械减薄、研磨并抛光；
(d)根据设计好的器件结构图，使用激光切割机划取器件的图形；
(e)在键合片上镀1um厚度的金属Cu，作为上电极层；
(f)旋涂光刻胶，光刻、显影出器件上电极形状并刻蚀出上电极的形状；
(g)使用PECVD生长500nm厚度的SiO2介质膜，作为电极的保护层；
(h)旋涂光刻胶，光刻、显影出上下电极引线接口并刻蚀出上下电极的引线接口；
(i)进行背面深硅刻蚀，完成梁的释放。最终完成器件的制备。
本发明通过压电陶瓷片与二氧化硅片共晶键合，配合电镀工艺将金属Cu和金属Sn电镀在二氧化硅片和压电陶瓷片上作为电极，可以使压电厚膜的厚度更薄，而且不会产生气泡，相对于压电薄膜，该压电厚膜的压电性能更强。
通过激光切割进行器件的图形化，可以实现器件结构的更加多样和复杂，而且可操控性更强。
通过键合、电镀和激光切割等制备工艺，使得在同一批次的器件制备中可以同时制备多种结构的器件，可以同时制备不同结构的微能量采集器，使得制备微能量采集器的制备效率更高，解决了传统工艺制备的压电薄膜压电性能不好，且设计结构简单的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求的等同物限定。
Claims (7)
1.一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器，其特征在于：
所述微能量采集器包括：上电极、下电极、硅固定基座、压电悬臂梁、质量块；
其中，所述压电悬臂梁的一端固定连接在所述硅固定基座的内侧壁上，并向与所述内侧壁相对的另一侧内侧壁延伸；
其中，所述压电悬臂梁的另一端固定连接悬空的所述质量块；
其中，所述上电极和所述下电极形成于硅固定基座上，且所述上电极覆盖在所述压电悬梁臂上。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器，其特征在于：所述硅固定基座、压电悬梁臂和质量块均为通过硅片和压电陶瓷片键合、镀膜制备的多层结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器，其特征在于：
压电悬梁臂从下到上依次为：Si层、SiO2层、下电极金属Cu层、PZT层、上电极金属Cu层和SiO2层；
硅固定基座和质量块从下到上依次为：SiO2层、Si层、SiO2层、下电极金属Cu层、PZT层、上电极金属Cu层和SiO2层。
4.根据权利要求3所述的一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器，其特征在于：
压电悬梁臂从下到上各层的厚度分别为：Si层为150um、SiO2层为500nm、下电极金属Cu层为30.5um、PZT层为65um、上电极金属Cu层为1um，顶层SiO2为500nm；
硅固定基座和质量块从下到上各层的厚度分别为：SiO2层为500nm、Si层为500um、SiO2层为500nm、下电极金属Cu层为30.5um、PZT层为65um、上电极金属Cu层为1um、顶层SiO2层为500nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器，其特征在于：所述硅固定基座的形状为矩形框或者正方形框。
6.一种权利要求1-5中任一项所述的一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)在二氧化硅片上依次电镀Cu和Sn作为键合层，同时也是下电极层，且二氧化硅片的中间为硅，两侧是二氧化硅；
2)在压电陶瓷片上电镀Cu作为键合层，同时也是下电极层；
3)将做好电镀工艺的压电陶瓷片和二氧化硅片进行共晶键合，之后对键合片机械减薄、研磨并抛光；
4)根据设计好的器件结构图，使用激光切割机划取器件的图形；
5)在键合片上镀金属Cu，作为上电极层；
6)旋涂光刻胶，光刻、显影出器件上电极形状并刻蚀出上电极的形状；
7)使用PECVD生长一定厚度的SiO2介质膜，作为电极的保护层；
8)旋涂光刻胶，光刻、显影出两个电极引线接口并刻蚀出两个电极的引线接口；
9)进行背面深硅刻蚀，完成梁的释放，最终完成器件的制备。
7.根据权利要求6所述的基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器的制备方法，其特征在于：
所述步骤1)具体为：在4英寸二氧化硅片上电镀6um厚度Cu和6.5um厚度Sn做为键合层，同时也是下电极层，其中二氧化硅片的中间为500um厚度的硅，两侧是500nm的二氧化硅；
所述步骤2)具体为：在4英寸的压电陶瓷片上电镀6.5um厚度Cu做为键合层，同时也是下电极层；
所述步骤5)具体为：在键合片上镀1um厚度的金属Cu，作为上电极层；
所述步骤7)具体为：使用PECVD生长500nm厚度的SiO2介质膜，作为电极的保护层。
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