CN108199617B - 一种横向mems压电-静电耦合能量采集器及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MEMS技术的横向振动能量采集器件。其包括静电采集单元和压电采集单元，两者不是单纯物理上的叠加而是进行了深度耦合。压电能量采集单元为静电能量采集单元提供其工作所必须的初始静电电荷从而使其摆脱了电池的束缚，从而实现了无源化。静电能量采集单元为MEMS可变电容，在振动过程中MEMS可变电容发生交变，同时压电体产生的电荷也发生交变，两者通过合理的电连接和电学通断控制能够更加有效的将压电电荷抽取到MEMS可变电容上，并经过MEMS可变电容升压更加有效的给储能电容充电。本发明还提供了一种基于MEMS技术的横向振动能量采集器件的加工方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS振动能量采集器，尤其涉及一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器及加工方法。
背景技术
MEMS传感器特别是环境监测传感器、车流量监测传感器、建筑物振动监测传感器、以及国防边境监控传感器等，均需要在无电力支持的环境下持续工作数年而不需要维护，甚至终生免维护。因此，在降低相关传感器的功耗的同时，在传感器系统中增加的MEMS能量获取器件能够从环境中捕获能量从而增加MEMS传感器的使用寿命。机械振动是环境中广泛存在的一种能量来源，MEMS振动能量采集器是将机械振动能量转化为电能的MEMS器件，其基本的转化原理包括静电式、压电式(CN201620649418.X)、电磁式等(CN201611115545.2、CN201510501973.8)，其中静电式和电磁式能量获取器件通常利用质量块在振动作用下的位移产生电流从而将机械振动能量转换为电能，而压电式振动能量采集器一般通过机械振动导致的悬臂梁变形挤压压电体产生电流最终将机械能转化为电能。通过单一能量转换方式的MEMS振动能量采集器由于有无法充分利用芯片面积进行能量转换，因此此类MEMS振动能量采集器的能量转换效率较低。此外，采用静电原理的MEMS振动能量采集器件通常需要外接电池供电，因此其能量采集费效比较低。一些研究者通过低频-高频转换提高MEMS振动能量采集器的俘能效率，但是从本质上并没有改善能量转换机制的效率(CN201611115545.2)。另外一些研究者试图在同一个能量采集器中集成两种能量转换机制(CN201320435852.4)，然而仅限于在空间上分享芯片面积，两种能量采取部件并没有相互配合从而达到耦合增效的效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器。采用在同一能量采集器中同时采用两种机械能-电能转换方法进行振动能量获取，其中压电体布置在变形较大的梁结构上以便采集梁上的应力应变能，而静电电容则布置在刚性较大同时位移较大的质量块结构上，使得储能电容在机械振动能量的作用下发生较大幅值得交变，从而将一部分机械振动能量转化为电能。同时，本发明所示振动能量采集器的压电部分产生的电荷可以用于给静电部分充电从而不需要额外陪电池，实现了静电能量采集的无源化，提高了实用性。本发明还提供了横向MEMS压电-静电耦合能量采集器的加工方法。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，包括硅质量块、硅梁、锚区、玻璃衬底、压电晶体、正电极、负电极、条形电极阵列、第一二极管、第二二极管、储能电容；
所述硅质量块上设有硅窗口阵列，所述硅质量块的两端通过硅梁与锚区相连；所述锚区和玻璃衬底相连；所述玻璃衬底的上表面设有条型电极阵列；所述压电晶体安装在硅梁靠近玻璃衬底的表面；所述正电极、负电极安装在压电晶体靠近玻璃衬底的表面上；所述正电极和玻璃衬底上的条形电极阵列相连；所述负电极和储能电容的一端相连，同时负电极和第一二极管的正极相连；所述储能电容的另一端与第二二极管的负极相连；所述第一二极管的负极和第二二极管的正极均与锚区相连。
上述横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，所述正电极、负电极位于压电晶体靠近玻璃衬底的表面的两端。
上述横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，所述硅质量块为长方体。
上述横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，所述锚区和玻璃衬底通过阳极键合连接。
上述横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，所述硅质量块和条型电极阵列等效为MEMS可变电容。
上述横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，所述第二二极管和储能电容串联，然后与第一二极管并联。
上述横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，所述锚区采用硅材料。
一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器的加工方法，包括如下步骤：
步骤一、对硅片进行刻蚀，形成MEMS初始电容间隙；
步骤二、在初始电容间隙的表面生长压电材料，形成压电晶体；在压电晶体上制备电极金属层，然后将金属层图形化形成正电极、负电极；
步骤三、在步骤二的基础上，将硅片刻蚀制成硅结构片，刻蚀出预开口以及硅梁间隙；
步骤四、在玻璃衬底上制备电极金属层，然后将金属层图形化形成条形电极阵列；
步骤五、将步骤三中的硅结构片和步骤四中的玻璃衬底进行阳极键合；
步骤六、对阳极键合后的硅结构片进行刻蚀，形成硅窗口阵列、硅梁和锚区；
步骤七、将步骤二中的正电极和步骤四中的条形电极阵列连接；将负电极和储能电容的一端连接，同时将负电极和第一二极管的正极连接；将储能电容的另一端和第二二极管的负极连接；将第一二极管的负极和第二二极管的正极均与锚区相连。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明所述MEMS振动能量采集器的优势在于压电体产生的电荷被传输到MEMS电容上，当MEMS电容在外加速的作用下发生电容间隙变化时需要克服静电力做功，将机械振动能量进一步的转化为电能。这样解决了传统MEMS静电能量采集器需要电池电源才能工作的问题；
(2)本发明从压电能量采集模块来看，MEMS可变电容结合外围电路有效的提高了MEMS压电模块的输出电压，能够为储能电容提供更高的储能电位，从而在相同的振动环境获取更多的电能存储量；
(3)本发明的静电-压电耦合振动能量采集器采用MEMS工艺技术加工实现，具有体积小、重量轻、成本低、可批量集成的优势，在无线传感器及其网络化领域具有较为广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明横向MEMS压电-静电耦合能量采集器俯视示意图；
图2为本发明横向MEMS压电-静电耦合能量采集器局部剖视示意图；
图3(a)和图3(b)为MEMS能量采集器的简化模型工作原理图；
图4为本发明所述的MEMS振动能量采集器的工艺加工过程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明提供一种MEMS压电-静电耦合能量采集器，其特点在于采用MEMS技术加工并且集成了压电、静电两种力-电能量转换方式，两者之间通过耦合增加振动机械能对电能的转换效率。传统的压电能量采集的工作原理是将压电体产生的电荷直接输出到外电路的储能电容上，而本发明所述MEMS压电-静电耦合能量采集器则将压电晶体6产生的电荷一部分转移到MEMS可变电容上，通过MEMS可变电容交叠面积的改变进一步将机械能转化为电能，最终压电梁和MEMS可变电容一同为外电路的储能电容充电。传统的MEMS静电能量采集器的主要结构是MEMS可变电容，其工作原理是先用电池为MEMS可变电容预充电，然后MEMS可变电容在外振动作用下发生交叠面积或者电容间隙的改变，这时MEMS电容极板克服电容基板间的静电力做功，将机械能转换为电能，并通过外电路将电能储存到储能电容上。本发明所述的MEMS压电-静电耦合能量采集器从静电采集角度来看，不需要电池为MEMS可变电容进行预充电，相关电荷直接来自压电产生的电荷，这样真正使MEMS静电能量采集器摆脱电池困扰，将其变成无源器件，同时也提升了能量采集效率。
本发明所述的MEMS压电-静电耦合能量采集器包括MEMS结构和接口电路。其中，MEMS结构包括横向变化的MEMS可变电容27、硅梁2、压电晶体6、压电晶体电极。
本发明所述的MEMS压电-静电耦合能量采集器的力-电转换装置通过一个硅质量块1将振动加速度转换为硅质量块1的位移，而硅质量块1发生位移后将引起MEMS可变电容27的变化以及压电晶体6变形。压电晶体6的变形将直接在压电晶体的正、负电极上产生电压；而MEMS可变电容27的电容极板面积发生变化时也会导致电容器中储存的静电势能发生改变，即将振动机械能转化为电能。
本发明的具体实施例如下，一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，如图1所示，包括硅质量块1、硅梁2、锚区3、玻璃衬底5、压电晶体6、正电极7、负电极8、条形电极阵列20、第一二极管21、第二二极管22、储能电容23。
硅质量块1用于将环境中的振动加速度转换为力，硅质量块1为长方体，硅质量块1的两端通过硅梁2与锚区3相连，每个硅梁2包括三个连接部和两个回字形梁，三个连接部将两个回字形梁串联，同时连接部用于与硅质量块1和锚区3相连；锚区3为硅材料，锚区3为长方体，锚区3和玻璃衬底5相连，玻璃衬底5的上表面设有条型电极阵列20，而玻璃衬底5为上述硅质量块1、硅梁2、锚区3提供机械支撑。硅质量块1上设有硅窗口阵列4，本实施例中硅窗口阵列4共设6个，硅窗口阵列4为长方体，硅窗口阵列4的长度方向为硅质量块1的宽度方向，硅窗口阵列4的作用是使硅质量块1和条型电极阵列20等效为MEMS可变电容27。其中MEMS可变电容27的变化主要通过电容极板面积变化，即在硅质量块1发生位移后，构成MEMS可变电容27等效电容极板的硅质量块1和条型电极阵列20的交叠面积发生变化。
当硅质量块1在振动加速度作用下横向振动从而引起硅质量块1和条形电极阵列20的交叠面积改变时，会引起MEMS可变电容27变化。硅梁2的下方是压电晶体6，硅梁2在硅质量块1的牵引下发生变形，其下方的压电晶体6的不同位置产生了电位差，通过外接电路给储能电容23充电，完成机械能-电能的转化和存储。
压电晶体6安装在硅梁2靠近玻璃衬底5的表面，正电极7、负电极8安装在压电晶体6上，正电极7、负电极8位于压电晶体6靠近玻璃衬底5的表面的两端，正电极7和负电极8用于将压电晶体6上电荷引出。其中正电极7和玻璃衬底5上的条形电极阵列20相连，将压电体产生的电荷输送到MEMS可变电容上；负电极8和储能电容23的一端相连，同时负电极8和第一二极管21的正极相连；储能电容23的另一端与第二二极管22的负极相连；第一二极管21的负极和第二二极管22的正极均与锚区3相连。第一二极管21、第二二极管22分别用于控制MEMS能量采集器等效电路模型中局部电路的导通和关断，如图2所示。
图3(a)和图3(b)给出了MEMS能量采集器的简化模型工作原理图。为了说明器件工作原理的等效电路模型，将硅质量块1和条型电极阵列20等效为MEMS可变电容27，压电晶体6产生的交变电压等效为交流电源25，压电晶体6的电容等效为压电体等效电容26；上述交流电源25、压电体等效电容26、MEMS可变电容27构成MEMS等效模型24，用于说明MEMS能量采集器的简化模型工作原理。MEMS等效模型24和接口电路的连接方式和图2相同。所述接口电路具体为第二二极管22和储能电容23串联，然后再与第一二极管21并联，上述并联电路的一端与锚区3连接，并联电路的一端与负电极8连接。
当交流电源25输出正电压时，第一二极管21导通，第二二极管22关断，此时MEMS可变电容27和压电体等效电容26并联，压电体等效电容26上的电荷转到MEMS可变电容27上，为MEMS可变电容27充电。同时，硅质量块1在机械振动的作用下，发生偏移导致MEMS可变电容27的电极的交叠面积增大，MEMS可变电容27的值增大。MEMS可变电容27的值增大使得MEMS可变电容27能够从压电体等效电容26上抽取更多电荷，以便下一步对外做功输出电能，如图3(a)所示。
当交流电源25输出负电压时，第二二极管22导通，第一21关断，此时储能电容23接入回路，即储能电容23和MEMS可变电容27串联后与压电体等效电容26并联；在此过程中交流电源25直接为储能电容23充电，MEMS可变电容27的间隙被拉开，此时MEMS可变电容克服静电力做功将一部分机械振动能量转化为电能存储到储能电容23上，即实现了电能的采集。
图4为本发明所述的MEMS振动能量采集器的工艺加工过程图。一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器的加工方法，包括如下步骤：
步骤一、对硅片30进行干法刻蚀，形成MEMS初始电容间隙31，如图4(a)所示；
步骤二、在初始电容间隙31的表面通过反应溅射或者MOCVD生长压电材料，采用光刻、刻蚀使压电材料图形化形成压电晶体6；在压电晶体6上通过磁控溅射或电子束蒸发等工艺制备电极金属层，金属层材料可以是Al或Cr/Au复合金属或Ti/Pt/Au复合金属等，然后通过光刻腐蚀或丙酮超声剥离等工艺将金属层图形化形成正电极7、负电极8，如图4(b)；
步骤三、在步骤二的基础上，对硅片30进行第二次ICP垂直刻蚀，将硅片30刻蚀制成硅结构片34，刻蚀出预开口32以及硅梁间隙33，如图4(c)所示；
步骤四、在玻璃衬底5上通过磁控溅射或电子束蒸发等工艺制备电极金属层，金属层材料可以是Al或Cr/Au复合金属或Ti/Pt/Au复合金属等，然后通过光刻腐蚀或丙酮超声剥离等工艺将金属层图形化形成条形电极阵列20，如图4(d)所示；
步骤五、将步骤三中的硅结构片34和步骤四中的玻璃衬底5进行阳极键合，完成MEMS结构件和玻璃衬底5的机械和电学连接，如图4(e)所示；
步骤六、对阳极键合后的硅结构片34进行第三次ICP刻蚀，形成硅窗口阵列4、硅梁2和锚区3，此时硅窗口阵列4和硅梁2已经从硅片30的结构上释放，可以在振动加速度作用下运动和变形；
步骤七、将步骤二中的正电极7和步骤四中的条形电极阵列20连接；将负电极8和储能电容23的一端连接，同时将负电极8和第一二极管21的正极连接；将储能电容23的另一端和第二二极管22的负极连接；将第一二极管21的负极和第二二极管22的正极均与锚区3相连。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，其特征在于：包括硅质量块(1)、硅梁(2)、锚区(3)、玻璃衬底(5)、压电晶体(6)、正电极(7)、负电极(8)、条形电极阵列(20)、第一二极管(21)、第二二极管(22)、储能电容(23)；
所述硅质量块(1)上设有硅窗口阵列(4)，所述硅质量块(1)的长度方向的两端通过硅梁(2)与锚区(3)相连；所述锚区(3)和玻璃衬底(5)相连；所述玻璃衬底(5)的上表面设有条型电极阵列(20)；所述压电晶体(6)安装在硅梁(2)靠近玻璃衬底(5)的表面；所述正电极(7)、负电极(8)安装在压电晶体(6)靠近玻璃衬底(5)的表面上；所述正电极(7)和玻璃衬底(5)上的条形电极阵列(20)相连；所述负电极(8)和储能电容(23)的一端相连，同时负电极(8)和第一二极管(21)的正极相连；所述储能电容(23)的另一端与第二二极管(22)的负极相连；所述第一二极管(21)的负极和第二二极管(22)的正极均与锚区(3)相连。
2.根据权利要求1所述的一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，其特征在于：所述正电极(7)、负电极(8)位于压电晶体(6)靠近玻璃衬底(5)的表面的两端。
3.根据权利要求1所述的一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，其特征在于：所述硅质量块(1)为长方体。
4.根据权利要求1所述的一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，其特征在于：所述锚区(3)和玻璃衬底(5)通过阳极键合连接。
5.根据权利要求1所述的一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，其特征在于：所述硅质量块(1)和条型电极阵列(20)等效为MEMS可变电容(27)。
6.根据权利要求1所述的一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，其特征在于：所述第二二极管(22)和储能电容(23)串联，然后与第一二极管(21)并联。
7.根据权利要求1所述的一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器，其特征在于：所述锚区(3)采用硅材料。
8.一种横向MEMS压电-静电耦合能量采集器的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、对硅片(30)进行刻蚀，形成MEMS初始电容间隙(31)；
步骤二、在初始电容间隙(31)的表面生长压电材料，形成压电晶体(6)；在压电晶体(6)上制备电极金属层，然后将金属层图形化形成正电极(7)、负电极(8)；
步骤三、在步骤二的基础上，将硅片(30)刻蚀制成硅结构片(34)，刻蚀出预开口(32)以及硅梁间隙(33)；
步骤四、在玻璃衬底(5)上制备电极金属层，然后将金属层图形化形成条形电极阵列(20)；
步骤五、将步骤三中的硅结构片(34)和步骤四中的玻璃衬底(5)进行阳极键合；
步骤六、对阳极键合后的硅结构片(34)进行刻蚀，形成硅窗口阵列(4)、硅梁(2)和锚区(3)；
步骤七、将步骤二中的正电极(7)和步骤四中的条形电极阵列(20)连接；将负电极(8)和储能电容(23)的一端连接，同时将负电极(8)和第一二极管(21)的正极连接；将储能电容(23)的另一端和第二二极管(22)的负极连接；将第一二极管(21)的负极和第二二极管(22)的正极均与锚区(3)相连。
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