CN108054952B - 一种压电-电磁复合式振动能量收集器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压电‑电磁复合式振动能量收集器及其制备方法，该能量收集器包括相互堆叠的衬底和背板；所述衬底经刻蚀形成悬臂梁结构，其中，所述衬底的下表面形成有凹槽、所述凹槽上方为悬臂梁结构，所述凹槽和所述背板形成腔体，所述腔体内设有永磁体；所述悬臂梁结构的上表面设置有压电层，在所述衬底上表面的除了所述悬臂梁结构以外的周边区域设置有第一电感线圈层，所述压电层与所述第一电感线圈层相绝缘；所述背板的下表面设置有第二电感线圈层。通过本发明的制备方法所制备的压电‑电磁复合式振动能量收集器，具有较高的能量收集效率、高的输出功率和输出功率密度(W/cm2)；改善了能量收集器的可靠性和使用寿命。
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，尤其涉及一种基于压电效应和电磁感应原理的复合式谐振型振动能量收集器及其制备方法。
【背景技术】
能量收集器可拾取环境能量(如辐射、温差、振动等)并转化为电能为系统供电。与传统的电化学电池比较，能量收集器具有经济、环保且理论上无寿命限制等优点，因此符合能源的未来发展趋势，非常适合于为物联网、可穿戴设备等新兴领域提供电能。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和应用前景。
根据不同的工作原理，振动能量收集器包括静电式、压电式及电磁式等几种类型，其中，静电式能量收集器需要额外辅助电源才能将动能转换为电能，其结构和操作复杂，因此，基于压电效应和法拉第电磁感应原理的压电式和电磁式振动能量收集器受到人们的广泛关注。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，将压电式和电磁式能量收集器相复合，充分发挥两者的优势，是提高能量收集器输出功率的有效方式。目前，压电-电磁复合式振动能量收集器通常为谐振型，即只有当收集器中拾振结构(如悬臂梁、薄膜等)的固有频率与外界环境中的振动频率接近或一致时，收集器才能高效地收集环境中的振动能量。
在相关技术中的压电-电磁复合式振动能量收集器及其制备方法公开了-种压电-电磁复合式振动能量收集器，它采用非谐振式的拾振结构(可动永磁体)，在振动环境中，它的拾振结构可在附着有电感线圈和压电材料的腔体内自由运动，无论振动频率和振动方向如何变化，该能量收集器都具有高的收集效率。但是，对于该能量收集器，因为腔体内设置了电感线圈结构，所以腔体表面非常不平整，这导致可动永磁体在腔体表面运动时会产生的很大摩擦并导致可动永磁体的动能通过摩擦生热而浪费掉(而非转化为电能)，这降低了能量收集器的收集效率；此外，当可动永磁体在腔体表面运动时，会对设在腔体表面的绝缘层以及下面的电感线圈(甚至压电材料)造成磨损，因此，该能量收集器的可靠性和使用寿命均有待改善；另外，该器件中的电感线圈和压电层采用堆叠的方式设置，为了降低电感线圈的寄生电阻，电感线圈的厚度通常达微米量级，如此厚的电感线圈与压电层之间通常存在着大的残余应力或应力失配，进而引起压电层的损伤甚至脱落，造成器件的机械强度和可靠性能下降；最后，该能量收集器需要在凹槽这种三维结构表面进行电感线圈和压电层的加工和制备，加工难度较大，制备工艺较为复杂，并降低了器件的成品率，提升了器件的制备成本。
【发明内容】
基于上述问题，本发明提供了一种压电-电磁复合式振动能量收集器，其包括：相互堆叠的衬底和背板；所述衬底经刻蚀形成悬臂梁结构，其中，所述衬底的下表面形成有凹槽、所述凹槽上方为悬臂梁结构，所述凹槽和所述背板形成腔体，所述腔体内设有永磁体；
所述悬臂梁结构的上表面设置有压电层，在所述衬底上表面的除了所述悬臂梁结构以外的周边区域设置有第一电感线圈层，所述压电层与所述第一电感线圈层相绝缘；所述背板的下表面设置有第二电感线圈层。
优选地，所述压电层包括压电材料层以及形成在该压电材料层的上、下表面的上、下电极。
优选地，所述压电层和所述第一电感线圈层之间设置有绝缘层，所述凹槽的表面设置有绝缘层；和/或所述背板和所述第二电感线圈层之间设置有绝缘层。
优选地，所述永磁体为球体；所述悬臂梁结构与所述衬底之间包括镂空区域，所述镂空区域的几何尺寸小于或者等于所述永磁体的几何尺寸的1/3。
优选地，所述第一电感线圈层和/或所述第二电感线圈层为矩形螺旋面结构或圆形螺旋面结构。
本发明还提供了一种压电-电磁复合式振动能量收集器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
选择衬底，刻蚀所述衬底的下表面，形成凹槽结构；
在所述衬底的上下表面沉积绝缘层，形成覆盖所述衬底上表面的第一绝缘层、覆盖所述衬底下表面及所述凹槽结构的第三绝缘层；
在所述第一绝缘层上沉积压电层；
在所述压电层上沉积第二绝缘层；
在该第二绝缘层上沉积并刻蚀形成第一电感线圈层；
刻蚀所述衬底的上表面，形成悬臂梁结构；
选择背板，在所述背板的下表面沉积第四绝缘层；
在所述第四绝缘层上沉积并刻蚀形成第二电感线圈层；
在所述凹槽结构内安装永磁体；
将所述凹槽结构正对所述背板进行组装形成腔体，制成所述电磁式振动能量收集器。
优选地，沉积所述压电层包括沉积下电极、压电材料层、上电极的步骤。
优选地，所述压电层形成在所述悬臂梁结构的上表面；和/或所述第一电感线圈层形成在所述衬底上表面的除了所述悬臂梁结构以外的周边区域。
优选地，所述组装包括键合。
优选地，制备所述第一电感线圈层和/或所述第二电感线圈层包括沉积Ti/Cu或Cr/Cu的复合层。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的压电-电磁复合式振动能量收集器结合了压电式和电磁式能量收集器的优点，具有较高的能量收集效率、高的输出功率和输出功率密度(W/cm2)；
(2)改善了能量收集器的可靠性和使用寿命；
(3)抑制了因电感线圈层与压电层之间的残余应力或应力失配而导致器件可靠性和机械强度变差等问题；
(4)本发明的能量收集器中的电感线圈可采用平面工艺加工，制备工艺简单，成本低，成品率高，有效降低了能量收集器的的制备难度和制备成本。
【附图说明】
图1为本发明的能量收集器剖面结构示意图；
图2为本发明的能量收集器中第一电感线圈层的平面结构俯视图。
图中：10、衬底，11、第一绝缘层，12、下压电电极，13、压电材料层，14、上压电电极，15、第二绝缘层，16、第一电感线圈层，17、第三绝缘层，18、凹槽，20、背板，21、第四绝缘层，22、第二电感线圈层，31、永磁体。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明做详细说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。
实施例1
参见图1和图2，本发明提供了一种压电-电磁复合式振动能量收集器，该压电-电磁复合式振动能量收集器包括：相互堆叠的衬底10和背板20；该衬底10经刻蚀形成悬臂梁结构，其中，衬底10的下表面形成有凹槽18、凹槽18上方为悬臂梁结构，该悬臂梁结构的上表面设置有压电层，在衬底10上表面的除了该悬臂梁结构以外的周边区域设置有第一电感线圈层16，该第一电感线圈层16和压电层之间设置有第二绝缘层15；凹槽18和背板30形成腔体，该腔体内设有永磁体31，该永磁体31优选为球体且能够在腔体内运动。
衬底10的上表面和压电层之间设置有第一绝缘层11，该压电层包括压电材料层以及形成在该压电材料层13的上、下表面的上压电电极14和下压电电极12。在衬底10的下表面以及凹槽18表面设置有第三绝缘层17。
背板20位于衬底10的下方，背板20的下表面设置有第四绝缘层21，在第四绝缘层21上设有第二电感线圈层22，第一电感线圈层16和第二电感线圈层22为矩形螺旋面结构或者圆形螺旋面结构。
下压电电极12、压电材料层13和上压电电极14构成了压电式振动能量收集器；第一电感线圈层16、第二电感线圈层22与永磁体31分别构成了两个电磁式振动能量收集器。
本发明的压电-电磁复合式能量收集器的工作原理为：在振动环境中，永磁体31在腔体内运动，引起第一电感线圈层16和第二电感线圈层22的磁通量发生变化，进而导致在电感线圈层与各自外接负载形成的闭合回路中产生感应电流，从而通过电磁感应原理实现动能转换为电能；此外，环境中的振动造成悬臂梁结构发生形变，悬臂梁结构中的压电材料层13会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动能转换为电能。另外，永磁体31在腔体内运动时，它对悬臂梁结构的冲击也会造成悬臂梁结构及压电材料层13发生弯曲形变，从而使压电材料层13产生压电电压，实现将动能转换为电能。
本发明中，在衬底10上表面，第一电感线圈层16和构成压电式能量收集器的下压电电极12、压电材料层13、上压电电极14采用非堆叠式的结构(即第一电感线圈层底部没有设置下压电电极、压电材料层和上压电电极)，有助于抑制第一电感线圈层与压电层之间的残余应力或应力失配而造成的薄膜的机械强度降低甚至薄膜脱落等问题，因此，有助于提高能量收集器的可靠性和使用寿命。
另外，背板20上表面设置有第二电感线圈层22，这有助于增加电感的面积和匝数，从而增强第二电感线圈层22的电磁感应效应和能量收集效率。
衬底10和背板20为厚度在200μm-2000μm硅或者玻璃；衬底10和背板20的材料可以相同，也可以不同。
第一绝缘层11、第二绝缘层15和第四绝缘层21为厚度在100nm-1000nm的SiO2、Si3N4的至少一种；第一绝缘层11的作用在于实现压电层与衬底10的电隔离；第二绝缘层15的作用在于实现压电层与第一电感线圈层16的电隔离；第四绝缘层21的作用在于实现背板20与第二电感线圈层22的电隔离。
下压电电极12和上压电电极14为厚度在50nm-200nm的Al、TiN、Pt的至少一种。压电材料层13的材料为具有压电效应的材料，优选为PZT(lead zirconate titanate，锆钛酸铅)或AIN(氮化铝)，厚度在100nm-2000nm的范围内。
第一电感线圈层16和第二电感线圈层22包括一层Ti或Cr和一层Cu，厚度在1μm-10μm。其中，Ti或Cr用于增加电感线层与氧化层的粘附性，Cu用于降低电感线的寄生电阻以提高电感的品质因数。
凹槽18的深度为100μm-1500μm，第三绝缘层17优选为热氧化生长的SiO2，厚度在500nm-3000nm，热氧化生长的SiO2在凹槽18等三维结构中的薄膜覆盖均匀性良好，这有助于改善凹槽表面的平整度，从而减小永磁体31在腔体表面运动时的产生摩擦。第三绝缘层17的另一作用在于实现衬底10与背板20的电隔离。
如图2所示，衬底10的上表面包括镂空区域，该镂空区域为悬臂梁结构与衬底10的周侧区域之间的间隙，该镂空区域的几何尺寸优选小于或者等于永磁体31的最小几何尺寸的1/3，以防止永磁体31被卡在间隙中甚至从间隙中掉出。
实施例2
本发明还提供了一种压电-电磁复合式振动能量收集器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
选择衬底，刻蚀该衬底的下表面，形成凹槽结构。具体地，例如选用500μm厚的N型(100)硅作为衬底，例如通过低压化学气相沉积方法在衬底的下表面生长200nm厚度的Si3N4；刻蚀该衬底下表面的Si3N4，以Si3N4做掩膜使用TMAH(四甲基氢氧化铵)试剂对硅衬底进行湿法刻蚀，形成如450μm深的凹槽。
在该衬底的上下表面沉积绝缘层，形成覆盖衬底上表面的第一绝缘层、覆盖衬底下表面及凹槽结构的第三绝缘层。具体地，例如使用H3PO4溶液去除衬底表面的Si3N4，利用湿法热氧化工艺在该衬底上下表面生长一层1000nm厚的SiO2，以形成第一绝缘层和第三绝缘层。
在该第一绝缘层上沉积压电层。具体地，在衬底上表面例如使用物理气相沉积工艺形成一层100nm厚的Pt并光刻形成下压电电极；在衬底上表面例如使用物理气相沉积工艺形成一层1000nm厚的PZT并光刻，对制备的该层PZT进行极化使其具备压电特性，形成压电层；在衬底上表面例如使用物理气相沉积工艺形成一层100nm厚的Pt并光刻形成上压电电极；压电层形成在该悬臂梁结构的上表面。
在该压电层上沉积并刻蚀形成第一电感线圈层。具体地，例如使用增强型等离子化学气相沉积在该压电层上表面形成100nm厚的SiO2并光刻，形成第二绝缘层，在衬底上表面例如使用物理气相沉积工艺形成100nm厚的Ti以及5μm厚的Cu，并光刻形成第一电感线圈层，该第一电感线圈层形成在衬底上表面的除了该悬臂梁结构以外的周边区域。
刻蚀该衬底的上表面，形成悬臂梁结构；例如选用300μm厚的N型(100)硅作为背板，在该背板的下表面例如通过等离子增强化学气相沉积工艺在衬底的上表面生长200nm厚度的SiO2形成第四绝缘层。
在该第四绝缘层上沉积并刻蚀形成第二电感线圈层。具体地，例如使用物理气相沉积工艺形成100nm厚的Ti以及5μm厚的Cu，并光刻形成第二电感线圈层；第一电感线圈层和第二电感线圈层形成为矩形螺旋面结构或者圆形螺旋面结构。
在所述凹槽结构内安装永磁体；将所述凹槽结构正对所述背板通过键合或者粘合的方法进行组装形成腔体，制成所述电磁式振动能量收集器。
应注意，薄膜的制备包括物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺或者溅射工艺等。
与现有技术相比，本发明的压电-电磁复合式振动能量收集器结合了压电式和电磁式能量收集器的优点，具有较大高的输出功率和能量收集效率；抑制了因多层薄膜之间的应力不匹配而导致器件可靠性和机械强度变差等的问题；改善了能量收集器的可靠性和使用寿命；制备工艺简单，成本低，成品率高，有效降低了能量收集器的的制备难度和制备成本。
具体地，本发明的拾振结构为非谐振式的拾振结构，在振动环境中，可在腔体内自由运动，拾振结构对不同频率、不同方向的环境振动均能做出敏感地响应，并且具有较高的能量收集效率；采用两组电感线圈进行能量收集，拾振结构在腔体内运动时，会导致这两组电感线圈均产生电学输出，在相同器件面积的条件下，这有助于进一步提高了收集器的能量收集效率、输出功率及输出功率密度(W/cm2)，并易于实现器件的小型化。
另外，本发明的压电-电磁复合式振动能量收集器中的腔体内没有设置任何凹凸不平的结构和图形，腔体表面平整，这抑制了拾振结构在腔体表面运动时产生的摩擦以及由于摩擦所造成的能量损耗，进一步提高了收集器的能量收集效率；本发明的拾振结构在腔体内运动过程中不会对位于腔体外部的电感线圈造成磨损，改善了能量收集器的可靠性和使用寿命。
本发明的电磁式能量收集器与压电式能量收集器分开设置，而不是采用堆叠的方式设置，这有助于抑制电感线圈层与压电层之间的残余应力或应力失配而导致器件机械强度和可靠性变差等问题，进一步提高了能量收集器的可靠性和使用寿命；本发明的能量收集器的电感线圈设置在衬底或背板表面，可采用平面工艺加工，制备工艺简单，成本低，成品率高，有效降低了能量收集器的的制备难度和制备成本。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于，其包括：
相互堆叠的衬底和背板；所述衬底经刻蚀形成悬臂梁结构，其中，所述衬底的下表面形成有凹槽、所述凹槽上方为悬臂梁结构，所述凹槽和所述背板形成腔体，所述腔体内设有永磁体；
所述悬臂梁结构的上表面设置有压电层，在所述衬底上表面的除了所述悬臂梁结构以外的周边区域设置有第一电感线圈层，所述压电层与所述第一电感线圈层相绝缘；所述背板的下表面设置有第二电感线圈层。
2.根据权利要求1所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于，所述压电层包括压电材料层以及形成在该压电材料层的上、下表面的上、下电极。
3.根据权利要求1所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于，所述压电层和所述第一电感线圈层之间设置有绝缘层，所述凹槽的表面设置有绝缘层；和/或所述背板和所述第二电感线圈层之间设置有绝缘层。
4.根据权利要求1所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于，所述永磁体为球体；所述悬臂梁结构与所述衬底之间包括镂空区域，所述镂空区域的几何尺寸小于或者等于所述永磁体的几何尺寸的1/3。
5.根据权利要求1所述的压电-电磁复合式振动能量收集器，其特征在于，所述第一电感线圈层和/或所述第二电感线圈层为矩形螺旋面结构或圆形螺旋面结构。
6.一种压电-电磁复合式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
选择衬底，刻蚀所述衬底的下表面，形成凹槽结构；
在所述衬底的上下表面沉积绝缘层，形成覆盖所述衬底上表面的第一绝缘层、覆盖所述衬底下表面及所述凹槽结构的第三绝缘层；
在所述第一绝缘层上沉积压电层；
在所述压电层上沉积第二绝缘层；
在所述第二绝缘层上沉积并刻蚀形成第一电感线圈层；
刻蚀所述衬底的上表面，形成悬臂梁结构；
选择背板，在所述背板的下表面沉积第四绝缘层；
在所述第四绝缘层上沉积并刻蚀形成第二电感线圈层；
在所述凹槽结构内安装永磁体；
将所述凹槽结构正对所述背板进行组装形成腔体，制成所述电磁式振动能量收集器；所述第一电感线圈层形成在所述衬底上表面的除了所述悬臂梁结构以外的周边区域。
7.根据权利要求6所述的压电-电磁复合式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，沉积所述压电层包括沉积下电极、压电材料层、上电极的步骤。
8.根据权利要求6所述的压电-电磁复合式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，所述压电层形成在所述悬臂梁结构的上表面。
9.根据权利要求6所述的压电-电磁复合式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，所述组装包括键合。
10.根据权利要求6所述的压电-电磁复合式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，制备所述第一电感线圈层和/或所述第二电感线圈层包括沉积Ti/Cu或Cr/Cu的复合层。
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