CN109160485B - 一种声栅-反射面压电超声能量收集器及其制备方法 - Google Patents

一种声栅-反射面压电超声能量收集器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种声栅‑反射面压电超声能量收集器及其制备方法，所述能量收集器包括压电声栅、支撑结构和压电反射层，所述压电声栅通过支撑结构与反射面相连；所述压电声栅为多层平面结构，所述多层平面上刻蚀有多条相互平行的缝隙；所述压电反射层从上往下依次包括：第一金属电极、第一压电材料层和衬底；所述压电声栅从上往下依次包括：第二金属电极、第二压电材料层、结构反射层、第三压电材料层和第三金属电极；本发明通过压电反射层和压电声栅对于超声波的相互反射/吸收作用，实现了超声能量收集利用效率的最大化；相比于传统的超声压电能量收集器，本发明具有收集效率高、器件稳定性强等优点。

Description

一种声栅-反射面压电超声能量收集器及其制备方法
技术领域
本发明属于能量收集器技术领域，具体属于一种声栅-反射面压电超声能量收集器及其制备方法。
背景技术
超声压电换能技术是一种利用压电材料的压电效应实现机械能-电能之间相互转换的技术。利用该技术可以制作小型超声波发生器，以及超声能量收集器。超声能量收集器通过接收超声波激励的能量实现声能-电能的转换，可用于低功耗设备和传感器的正常运作。
最简单的压电式超声能量收集器主要由附有压电材料的平面构成，这种结构能够实现超声波能量收集，不过会反射大部分超声波，收集效率较低，为了提高超声能量收集效率，人们通过改变收集面的结构提高整体的吸收效率；例如申请号为CN201410044942.X的一篇专利公开了一种利用声音能量的发电机和声音传感器，其利用倾斜反射面形成声谐振腔，使得超声波在该声谐振腔内来回反射；而非均匀厚度宽带超声能量收集器(AppliedPhysics Letters，112，043903，2018)则利用类似凹面镜的压电材料结构提高吸收效率，不过以上结构均无法通过平面工艺实现，且超声波的利用效率较低；目前传感器设备逐渐向微型化、低功耗、智能化发展，因此需要一种微型的能量转换技术实现传感器设备的稳定供电，基于微机电系统的压电超声换能技术则是其中一条较为实用的解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种结构简单、吸收效率高，且能通过平面工艺实现的声栅-反射面压电超声能量收集器及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种声栅-反射面压电超声能量收集器，包括压电声栅、支撑结构和压电反射层，所述压电声栅通过支撑结构与反射面相连；所述压电声栅与压电反射层之间设有反射空腔，用于供超声波在所述压电声栅与压电反射层之间来回反射吸收；所述压电声栅为多层平面结构，所述多层平面上刻蚀有多条相互平行的缝隙。
具体地，所述压电反射层从上往下依次包括：第一金属电极、第一压电材料层和衬底；
进一步地，所述第一压电材料层和第一金属电极构成第一能量收集结构，所述第一能量收集结构与衬底组成压电反射层，用于吸收/反射来自所述压电反射层上方的超声波激励；
进一步地，所述衬底为高掺杂单晶硅衬底，用于吸收/反射来自衬底上方的超声波激励，还用做所述能量收集器整体结构的衬底以及第一压电材料层的接地电极。
具体地，所述多层平面结构从上往下依次包括：第二金属电极、第二压电材料层、结构反射层、第三压电材料层和第三金属电极。
进一步地，所述第二压电材料层和第二金属电极构成第二能量收集结构，所述第三压电材料层和第三金属电极构成第三能量收集结构，所述第二能量收集结构、第三能量收集结构与结构反射层同时吸收/反射来自结构反射层下方和结构反射层上方环境的超声波激励；
进一步地，所述结构反射层用于吸收/反射来自外界环境以及所述压电反射层反射回来的超声波，还用作所述压电声栅的固定结构以及第二压电材料层和第三压电材料层的接地电极；
所述结构反射层的材质为铜、铝、镍或者高掺杂多晶硅。
具体地，所述能量收集器的输出电极包括：第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极；
所述第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极的材质为钛、铂、铝或铜。
具体地，所述第二压电材料层和第三压电材料层在超声激励作用下产生表面应力变化，利用压电效应产生电能；所述压电材料为PZT-5系列陶瓷、ZnO或Al2N3。
具体地，一种声栅-反射面压电超声能量收集器的制备方法，包括以下步骤：
a，提供一种高掺杂的单晶硅衬底；
b，在所述单晶硅衬底上淀积压电材料，形成第一压电材料层；再通过电镀、CVD或者PVD在所述第一压电材料层上形成第一金属电极，然后进行表面平面化处理；
c，在所述第一金属电极上淀积牺牲层，淀积结束后进行表面平面化处理；
d，通过电镀、CVD或者PVD在所述牺牲层上表面形成第三金属电极，再进行表面平面化处理；
e，在所述第三金属电极上淀积压电材料，形成第三压电材料层；
f，在所述第三压电材料层上通过CVD淀积一层SiO2掩蔽层；
g，涂光刻胶，光刻压电声栅的结构，显影后去除压电声栅狭缝处的光刻胶，刻蚀下方的SiO2掩蔽层；
h，刻蚀SiO2掩蔽层缝隙下的第三压电材料层和第三金属电极；
i，在所述SiO2掩蔽层表面淀积牺牲层材料；
j，进行CMP平面化处理，由上往下研磨牺牲层、SiO2掩蔽层以及部分第三压电层材料；
k，通过电镀或者CVD在步骤j结束后的表面淀积形成结构反射层，淀积结束后在其表面上淀积一层SiO2掩蔽层；
l，涂光刻胶，光刻压电声栅的结构，显影后去除压电声栅狭缝处的光刻胶，刻蚀下方的SiO2掩蔽层；
m，刻蚀SiO2掩蔽层缝隙下的结构反射层，刻蚀完毕后淀积牺牲层材料；
n，进行CMP平面化处理，由上往下研磨牺牲层、SiO2掩蔽层以及部分结构反射层材料；
o，淀积压电材料，形成第二压电材料层，淀积结束后进行表面平面化处理；
p，通过电镀、CVD或PVD在所述第二压电材料层上形成第二金属电极；
q，涂光刻胶，光刻压电声栅的结构，显影后去除压电声栅狭缝处的光刻胶，刻蚀下方的第二金属电极和第二压电材料层；
r，去除所有的牺牲层材料。
具体地，步骤g、l、q中所述的压电声栅的结构为多条相互平行的缝隙。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明通过在能量收集器内设置压电反射层和结构反射层，使得接收到的超声波在压电声栅和压电反射层之间多次相互反射、吸收，从而提高超声激励的整体吸收效率；(2)本发明的压电声栅结构为固定结构，与悬臂梁结构的能量收集器相比，加工难度更低，工作稳定性更高；(3)本发明通过平面工艺即可实现，结构紧凑，整体规模小，集成度高，能为微型化、低功耗、智能化的传感器稳定提供电量。
附图说明
图1为本发明一种声栅-反射面压电超声能量收集器的结构示意图；
图2为实施例2中步骤b结束后的器件剖面图；
图3为实施例2中步骤f结束后器件剖面图；
图4为实施例2中步骤h结束后器件剖面图；
图5为实施例2中步骤i结束后器件剖面图；
图6为实施例2中步骤j结束后器件剖面图；
图7为实施例2中步骤k结束后器件剖面图；
图8为实施例2中步骤m刻蚀反射层后的器件剖面图；
图9为实施例2中步骤m结束后器件剖面图；
图10为实施例2中步骤n结束后器件剖面图；
图11为实施例2中步骤p结束后器件剖面图；
图12为实施例2中步骤q结束后器件剖面图；
图13为实施例2中步骤r结束后器件剖面图；
图中：1、压电声栅；2、支撑结构；3、压电反射层；4、第一金属电极；5、第一压电材料层；6、衬底；7、牺牲层；8、SiO2掩蔽层；9、第三压电材料层；10、第三金属电极；11、结构反射层；12、第二压电材料层；13、第二金属电极。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种声栅-反射面压电超声能量收集器，该能量收集器包括压电声栅1、支撑结构2和压电反射层3，所述压电声栅1通过支撑结构2与反射面相连；所述压电声栅1与压电反射层3之间设有反射空腔，用于供超声波在所述压电声栅1与压电反射层3之间来回反射吸收；所述压电声栅1为多层平面结构，所述多层平面上刻蚀有多条相互平行的缝隙；所述压电声栅1能够吸收和反射来自外界环境中的超声激励，同时也能吸收和反射来自下层压电反射层3反射回来的超声激励；所述压电声栅1上的缝隙允许超声激励通过。
具体地，所述压电反射层3从上往下依次包括：第一金属电极4、第一压电材料层5和衬底6；
进一步地，所述第一压电材料层5和第一金属电极4构成第一能量收集结构，所述第一能量收集结构与衬底6组成压电反射层3，用于吸收/反射来自所述压电反射层3上方的超声波激励；
进一步地，所述衬底6为高掺杂单晶硅衬底，用于吸收/反射来自衬底6上方的超声波激励，还用做所述能量收集器整体结构的衬底6以及第一压电材料层5的接地电极。
具体地，所述多层平面结构从上往下依次包括：第二金属电极13、第二压电材料层12、结构反射层11、第三压电材料层9和第三金属电极10。
进一步地，所述第二压电材料层12和第二金属电极13构成第二能量收集结构，所述第三压电材料层9和第三金属电极10构成第三能量收集结构，所述第二能量收集结构、第三能量收集结构与结构反射层11同时吸收/反射来自结构反射层11下方和结构反射层11上方环境的超声波激励；
进一步地，所述结构反射层11用于吸收/反射来自外界环境以及所述压电反射层3反射回来的超声波，还用作所述压电声栅1的固定结构以及第二压电材料层12和第三压电材料层9的接地电极；
所述结构反射层11的材质为铜、铝、镍或者高掺杂多晶硅。
具体地，所述能量收集器的输出电极包括：第一金属电极4、第二金属电极13和第三金属电极10；
所述第一金属电极4、第二金属电极13、第三金属电极10的材质为钛、铂、铝或铜。
具体地，所述第二压电材料层12和第三压电材料层9在超声激励作用下产生表面应力变化，利用压电效应产生电能；所述压电材料为PZT-5系列陶瓷、ZnO或Al2N3。
本实施例的能量收集器的工作原理为：
来自外界的超声波作用于压电声栅1上表面，产生的声压导致第二压电材料层12的表面应力发生变化，根据压电效应，所述第二金属电极13和结构反射层11之间的电势差将产生变化，实现声能——电能的转换；来自下层压电反射层3反射回来的超声波作用于压电声栅1下表面，产生的声压导致第三压电材料层9的表面应力发生变化，根据压电效应，所述第三金属电极10与结构反射层11之间的电势差将产生变化，实现声能——电能的转换。
所述压电反射层3能吸收和反射来自上层结构的超声波，这些超声波包括：来自外界环境直接穿过压电声栅1缝隙的部分，作用于压电声栅1但透过压电声栅1继续向下传播的部分以及经压电声栅1下表面反射的部分；这些超声波激励作用于压电反射层3的上表面，产生的声压导致第一压电材料层5的表面应力发生变化，根据压电效应，所述第一金属电极4与衬底6之间的电势差将产生变化，实现声能——电能的转换。
具体地，所述能量收集器在受到外界环境的超声波激励后，超声波作用于压电声栅1上表面，其中一部分超声波被第二压电材料层12吸收，还有一部分透过压电声栅1继续向下传播，其余部分被压电声栅1发射到环境中；除了作用于压电声栅1的超声波外，还有部分超声波直接通过压电声栅1的缝隙继续向下传播，穿过压电声栅1的超声波将作用于压电反射层3，其中部分超声波被第一压电材料层5吸收，还有一部分穿过衬底6，其余部分被所述压电反射层3反射；被压电反射层3反射回去的超声波有部分直接通过压电声栅1的缝隙回到外界环境，其余部分将作用于压电声栅1的下表面，其中部分超声波被第三反射层吸收，还有一部分直接穿过压电声栅1回到外界环境，其余部分被压电声栅1向下反射；本实施例通过压电反射层3和压电声栅1下表面对于超声波的相互反射作用，实现了超声能量收集利用效率的最大化。
实施例2
如图2至13所示，本实施例提供了一种声栅-反射面压电超声能量收集器的制备方法，具体包括以下步骤：
a，提供一种高掺杂的单晶硅衬底6；
b，在所述单晶硅衬底6上淀积压电材料，形成第一压电材料层5；再通过电镀、CVD或者PVD在所述第一压电材料层5上形成第一金属电极4，然后进行表面平面化处理；
c，在所述第一金属电极4上淀积牺牲层7，淀积结束后进行表面平面化处理；
d，通过电镀、CVD或者PVD在所述牺牲层7上表面形成第三金属电极10，再进行表面平面化处理；
e，在所述第三金属电极10上淀积压电材料，形成第三压电材料层9；
f，在所述第三压电材料层9上通过CVD淀积一层SiO2掩蔽层8；
g，涂光刻胶，光刻压电声栅1的结构，显影后去除压电声栅1狭缝处的光刻胶，刻蚀下方的SiO2掩蔽层8；
h，刻蚀SiO2掩蔽层8缝隙下的第三压电材料层9和第三金属电极10；
i，在所述SiO2掩蔽层8表面淀积牺牲层7材料；
j，进行CMP平面化处理，由上往下研磨牺牲层7、SiO2掩蔽层8以及部分第三压电层材料；
k，通过电镀或者CVD在步骤j结束后的表面淀积形成结构反射层11，淀积结束后在其表面上淀积一层SiO2掩蔽层8；
l，涂光刻胶，光刻压电声栅1的结构，显影后去除压电声栅1狭缝处的光刻胶，刻蚀下方的SiO2掩蔽层8；
m，刻蚀SiO2掩蔽层8缝隙下的结构反射层11，刻蚀完毕后淀积牺牲层7材料；
n，进行CMP平面化处理，由上往下研磨牺牲层7、SiO2掩蔽层8以及部分结构反射层11材料；
o，淀积压电材料，形成第二压电材料层12，淀积结束后进行表面平面化处理；
p，通过电镀、CVD或PVD在所述第二压电材料层12上形成第二金属电极13；
q，涂光刻胶，光刻压电声栅1的结构，显影后去除压电声栅1狭缝处的光刻胶，刻蚀下方的第二金属电极13和第二压电材料层12；
r，去除所有的牺牲层7材料。
具体地，步骤g、l、q中所述的压电声栅1的结构为多条相互平行的缝隙。
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及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种声栅-反射面压电超声能量收集器，其特征在于，包括压电声栅、支撑结构和压电反射层，所述压电声栅通过支撑结构与反射面相连；所述压电声栅与压电反射层之间设有反射空腔，用于供超声波在所述压电声栅与压电反射层之间来回反射吸收；所述压电声栅为多层平面结构，所述多层平面上刻蚀有多条相互平行的缝隙；
所述超声能量收集器的制备方法包括以下步骤：
a，提供一种高掺杂的单晶硅衬底；
b，在所述单晶硅衬底上淀积压电材料，形成第一压电材料层；再通过电镀、CVD或者PVD在所述第一压电材料层上形成第一金属电极，然后进行表面平面化处理；
c，在所述第一金属电极上淀积牺牲层，淀积结束后进行表面平面化处理；
d，通过电镀、CVD或者PVD在所述牺牲层上表面形成第三金属电极，再进行表面平面化处理；
e，在所述第三金属电极上淀积压电材料，形成第三压电材料层；
f，在所述第三压电材料层上通过CVD淀积一层SiO2掩蔽层；
g，涂光刻胶，光刻压电声栅的结构，显影后去除压电声栅狭缝处的光刻胶，刻蚀下方的SiO2掩蔽层；
h，刻蚀SiO2掩蔽层缝隙下的第三压电材料层和第三金属电极；
i，在所述SiO2掩蔽层表面淀积牺牲层材料；
j，进行CMP平面化处理，由上往下研磨牺牲层、SiO2掩蔽层以及部分第三压电层材料；
k，通过电镀或者CVD在步骤j结束后的表面淀积形成结构反射层，淀积结束后在其表面上淀积一层SiO2掩蔽层；
l，涂光刻胶，光刻压电声栅的结构，显影后去除压电声栅狭缝处的光刻胶，刻蚀下方的SiO2掩蔽层；
m，刻蚀SiO2掩蔽层缝隙下的结构反射层，刻蚀完毕后淀积牺牲层材料；
n，进行CMP平面化处理，由上往下研磨牺牲层、SiO2掩蔽层以及部分结构反射层材料；
o，淀积压电材料，形成第二压电材料层，淀积结束后进行表面平面化处理；
p，通过电镀、CVD或PVD在所述第二压电材料层上形成第二金属电极；
q，涂光刻胶，光刻压电声栅的结构，显影后去除压电声栅狭缝处的光刻胶，刻蚀下方的第二金属电极和第二压电材料层；
r，去除所有的牺牲层材料。
2.根据权利要求1所述的一种声栅-反射面压电超声能量收集器，其特征在于，所述压电反射层从上往下依次包括：第一金属电极、第一压电材料层和衬底。
3.根据权利要求2所述的一种声栅-反射面压电超声能量收集器，其特征在于，所述第一压电材料层和第一金属电极构成第一能量收集结构，所述第一能量收集结构与衬底组成压电反射层，用于吸收/反射来自所述压电反射层上方的超声波激励。
4.根据权利要求2所述的一种声栅-反射面压电超声能量收集器，其特征在于，所述衬底为高掺杂单晶硅衬底，用于吸收/反射来自衬底上方的超声波激励，还用做所述能量收集器整体结构的衬底以及第一压电材料层的接地电极。
5.根据权利要求1所述的一种声栅-反射面压电超声能量收集器，其特征在于，所述多层平面结构从上往下依次包括：第二金属电极、第二压电材料层、结构反射层、第三压电材料层和第三金属电极。
6.根据权利要求5所述的一种声栅-反射面压电超声能量收集器，其特征在于，所述第二压电材料层和第二金属电极构成第二能量收集结构，所述第三压电材料层和第三金属电极构成第三能量收集结构，所述第二能量收集结构、第三能量收集结构与结构反射层同时吸收/反射来自结构反射层下方和结构反射层上方环境的超声波激励。
7.根据权利要求5所述的一种声栅-反射面压电超声能量收集器，其特征在于，所述结构反射层用于吸收/反射来自外界环境以及所述压电反射层反射回来的超声波，还用作所述压电声栅的固定结构以及第二压电材料层和第三压电材料层的接地电极；
所述结构反射层的材质为铜、铝、镍或者高掺杂多晶硅。
8.根据权利要求1所述的一种声栅-反射面压电超声能量收集器，其特征在于，所述能量收集器的输出电极包括：第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极；
所述第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极的材质为钛、铂、铝或铜。
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