CN112583227B - 一种mems电感式振动能量收集器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种MEMS电感式振动能量收集器及其制备方法，该收集器包括：堆叠的第一衬底、第二衬底、第三衬底，其中第二衬底、第三衬底分别设置于所述第一衬底的上、下表面，第一衬底分别与第二衬底、第三衬底形成容纳永磁体的开放腔，在第二衬底和第三衬底远离第一衬底的表面设置电感线圈层。本发明将拾振结构的运动范围扩大到两层衬底所形成的开放腔，运动范围宽，可有效收集环境能量，具有高的能量收集效率和高的机械可靠性；电感线圈呈三维分布，在不增加器件面积的条件下，可有效增加电感线圈的匝数，这可有效提高器件的能量收集效率和输出功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统MEMS领域，具体涉及一种MEMS电感式振动能量收集器及其制备方法。
背景技术
MEMS振动能量收集器具有采集环境中的振动能量并转化为电能的功能，它是一种经济、环保且理论上拥有无限长寿命的微能源技术，在物联网、可穿戴设备和植入性医疗等新兴领域具有广阔应用前景。根据工作原理划分，MEMS振动能量收集器具有静电式、压电式、电磁感应式等类型，其中，MEMS电磁感应式振动能量收集器具有原理简单、工艺成熟、输出电流大等优点，受到人们的广泛关注。一个典型的MEMS电磁感应式振动能量收集器主要由电感线圈和永磁体构成，其工作原理主要基于法拉第电磁感应定律，在振动环境中，电感线圈和永磁体发生相对运动，进而在电感线圈中产生感应电流，从而实现把动能转换为电能。对于现有的MEMS电磁感应式振动能量收集器，其永磁体(或电感线圈)通常被局限于一个封闭的腔体中，运动范围窄，在一些剧烈振动的环境中(如冲击振动)，永磁体(或电感线圈)会与腔体发生碰撞，从而使得动能以内能的形式被耗散，这极大降低了能量收集器的能量收集效率，严重的还会造成器件机械损伤等可靠性问题。此外，根据MEMS电磁感应式振动能量收集器的工作原理，在相同的工作环境中，能量收集器的电感线圈的匝数越多，能量收集器的收集效率和输出功率也越大。对于现有的MEMS电磁感应式振动能量收集器，增大电感线圈的匝数，相应的器件面积也会增大，从而导致器件尺寸变大以及输出功率密度降低。
发明内容
为了解决本领域振动能量收集器存在的一些问题，本发明提出一种MEMS电感式振动能量收集器及其制备方法，以提高该类器件的能量收集效率、可靠性和输出功率密度。具体地，本发明所提出的技术方案如下：
一种MEMS电感式振动能量收集器，所述MEMS电感式振动能量收集器包括：
堆叠的第一衬底、第二衬底、第三衬底，其中第二衬底、第三衬底分别设置于所述第一衬底的上、下表面；
第一凹槽，设置在所述第一衬底的上表面；
第二凹槽，设置在所述第一衬底的下表面；
振动敏感膜，间隔所述第一凹槽和所述第二凹槽设置在所述第一衬底上；
第一永磁体，设置在所述振动敏感膜的上表面，位于所述第一凹槽中；
第二永磁体，设置在所述振动敏感膜的下表面，位于所述第二凹槽中；
第三凹槽，设置在所述第二衬底的下表面，与所述第一凹槽形成开放腔；
第四凹槽，环绕并间隔所述第三凹槽设置在所述第二衬底的上表面；
第一开放孔，设置在所述第二衬底的上表面，正对所述第三凹槽并贯通所述第二衬底；
第一电感线圈层，设置在所述第二衬底的上表面，覆盖所述第四凹槽的底表面及周侧区域；
第五凹槽，设置在所述第三衬底的上表面，与所述第二凹槽形成开放腔；
第六凹槽，环绕并间隔所述第五凹槽设置在所述第三衬底的下表面；
第二开放孔，设置在所述第三衬底的下表面，正对所述第五凹槽并贯通所述第三衬底；
第二电感线圈层，设置在所述第三衬底的下表面，覆盖所述第六凹槽的底表面及周侧区域。
可选地，还包括介于所述第二衬底的上表面和所述第一电感线圈层之间的第一绝缘层；和/或还包括介于所述第三衬底的下表面和所述第二电感线圈层之间的第二绝缘层。
可选地，所述第一永磁体的高度大于或等于所述第一凹槽的深度；和/或所述第二永磁体的高度大于或等于所述第二凹槽的深度。
可选地，所述第一永磁体的高度小于所述第一凹槽和所述第三凹槽的深度之和；和/或所述第二永磁体的高度小于所述第二凹槽和所述第五凹槽的深度之和。
可选地，所述第三凹槽的截面尺寸大于所述第一永磁体的截面尺寸；和/或所述第五凹槽的截面尺寸大于所述第二永磁体的截面尺寸。
可选地，所述第四凹槽对称设置在所述第三凹槽的两侧；和/或所述第六凹槽对称设置在所述第五凹槽的两侧。
可选地，所述第一电感线圈层及所述第二电感线圈层包括若干根间隔设置的电感线。
可选地，所述第四凹槽的侧壁与所述第三凹槽的侧壁相交叠；和/或所述第六凹槽的侧壁与所述第五凹槽的侧壁相交叠。
本发明还提出一种MEMS电感式振动能量收集器的制备方法，包括以下步骤：
选择第一衬底，刻蚀所述第一衬底的上、下表面，形成第一凹槽、第二凹槽、振动敏感膜，其中所述第一凹槽与所述第二凹槽间隔所述振动敏感膜设置；
在所述振动敏感膜的上、下表面分别安装第一永磁体和第二永磁体；
选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的下表面，形成第三凹槽；
刻蚀所述第二衬底的上表面，形成分布在所述第三凹槽两侧的第四凹槽；
刻蚀所述第二衬底的上表面，形成第一开放孔，所述第一开放孔正对所述第三凹槽并贯通所述第二衬底；
在所述第二衬底的上表面制备第一电感线圈层，所述第一电感线圈层覆盖所述第四凹槽的底表面及周侧区域；
选择第三衬底，刻蚀所述第三衬底的上表面，形成第五凹槽；
刻蚀所述第三衬底的下表面，形成分布在所述第五凹槽两侧的第六凹槽；
刻蚀所述第三衬底的下表面，形成第二开放孔，所述第二开放孔正对所述第五凹槽并贯通所述第三衬底；
在所述第三衬底的下表面制备第二电感线圈层，所述第二电感线圈层覆盖所述第六凹槽的底表面及周侧区域；
键合所述第一衬底、所述第二衬底、所述第三衬底，所述第一凹槽和所述第三凹槽形成第一开放腔，所述第二凹槽和所述第五凹槽形成第二开放腔。
可选地，所述制备第一电感线圈层还包括预先在所述第二衬底的上表面制备第一绝缘层；和/或所述制备第二电感线圈层还包括预先在所述第三衬底的下表面制备第二绝缘层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、与现有技术相比，本发明的能量收集器采用开放孔设计，其拾振结构的运动范围没有被局限在腔体内，运动范围宽，因此，可有效收集环境能量，具有高的能量收集效率和高的机械可靠性；
2、本发明的电感线圈呈三维分布，在不增加器件面积的条件下，可有效增加电感线圈的匝数，这可有效提高器件的能量收集效率和输出功率密度；
3、本发明的MEMS电感式压力传感器可采用MEMS加工工艺进行高精度、高一致性、低成本制备。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的一种MEMS电感式振动能量收集器的剖面结构示意图。
图2为本发明其中一实施例的一种MEMS电感式振动能量收集器电感线圈层的平面结构俯视图
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步的详细介绍。
实施例1
如图1-2所示，本发明所提出的MEMS电感式振动能量收集器，包括堆叠的第一衬底4、第二衬底14、第三衬底5；其中第二衬底14、第三衬底5分别设置于所述第一衬底4的上、下表面；
第一凹槽20，设置在第一衬底4的上表面；
第二凹槽3，设置在所述第一衬底4的下表面；
振动敏感膜1，间隔所述第一凹槽20和所述第二凹槽3设置在所述第一衬底4上；
第一永磁体12，设置在所述振动敏感膜1的上表面，位于所述第一凹槽20中；
第二永磁体2，设置在所述振动敏感膜1的下表面，位于所述第二凹槽3中；
第三凹槽13，设置在所述第二衬底14的下表面，与所述第一凹槽20形成第一开放腔19；
第四凹槽17，环绕并间隔所述第三凹槽13设置在所述第二衬底14的上表面；
第一开放孔18，设置在所述第二衬底14的上表面，正对所述第三凹槽13并贯通所述第二衬底14；
第一电感线圈层16，设置在所述第二衬底14的上表面，覆盖所述第四凹槽17的底表面及周侧区域；
第五凹槽6，设置在所述第三衬底5的上表面，与所述第二凹槽3形成第二开放腔11；
第六凹槽7，环绕并间隔所述第五凹槽6设置在所述第三衬底5的下表面；
第二开放孔10，设置在所述第三衬底5的下表面，正对所述第五凹槽6并贯通所述第三衬底5；
第二电感线圈层8，设置在所述第三衬底5的下表面，覆盖所述第六凹槽7的底表面及周侧区域。
具体地，第一衬底4、第二衬底14、第三衬底5例如为200-2000μm厚度的单晶硅或玻璃，二者的材料可以相同，也可以不同。第一衬底4和第二衬底14、第三衬底5可以通过键合的方式连接为整体，该键合方式比如是粘结剂键合。
振动敏感膜1例如形成在第一衬底4的厚度方向中央区域，厚度为5-50μm；如图1所示，该振动敏感膜1通过在第一衬底4的上表面刻蚀形成第一凹槽20、下表面刻蚀形成第二凹槽3而形成，振动敏感膜1介于第一凹槽20和第二凹槽3之间，厚度约为20μm，第一凹槽20和第二凹槽3例如是对称布置的，深度约为240μm。
在振动敏感膜1的上下表面设置第一永磁体12以及第二永磁体2，优选地，第一永磁体12和第二永磁体2对称设置在振动敏感膜的上下表面中央区域。
第一永磁体12及第二永磁体2例如具有长×宽×高＝200μm×200μm×600μm的尺寸，材质方面例如选择镍铁合金。
对于第二衬底14，在其下表面形成第三凹槽13，其正对第一永磁体12，与第一凹槽20形成第一开放腔19。
在第二衬底14的上表面，围绕第三凹槽13的形成区域相对应地形成第四凹槽17，第四凹槽17例如对称设置在第三凹槽13的两侧。
进一步地，在形成了第四凹槽17的第二衬底的上表面形成第一绝缘层15，该第一绝缘层15覆盖第四凹槽17的底面及周侧区域，第一绝缘层15的材料为二氧化硅或氮化硅的至少一种，厚度为100-1000nm。
进一步地，在第一绝缘层15上制备第一电感线圈层16，第一电感线圈16包括若干根间隔设置的电感线，呈螺旋结构。
其中，第一电感线圈层16的材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的至少一种，厚度为50-500nm。
其中，可选地，第三凹槽13的侧壁与第四凹槽17的侧壁相交叠，交叠区域的高度不小于100μm。这保证在振动作用下，第一永磁体12能够深入第一电感线圈层16，这有助于大幅提升本发明的能量收集器的灵敏度。
可选地，第一凹槽20与第三凹槽13的深度之和大于第一永磁体12高度，优选地，第一永磁体12的高度大于或等于第一凹槽20的深度，这有助于增大在振动作用下第一永磁体2的位移量，提高能量收集量程。
可选地，第三凹槽13的截面尺寸大于第一永磁体12的截面尺寸，由此，在振动作用下，第一永磁体12可自由插入第三凹槽13。优选的，该第三凹槽13的截面面积是第一永磁体12的截面面积的1.5-3.0倍，这既有助于降低第三凹槽13与第一永磁体12间的对准难度，又有助于保证振动作用下的第一永磁体12位移能引起较大的电感值的变化，从而进一步提升本发明的能量收集器的灵敏度。
对于第三衬底5，在其上表面形成第五凹槽6，其正对第二永磁体2，与第二凹槽3形成第二开放腔11。
在第三衬底的下表面，围绕第五凹槽6的形成区域相对应地形成第六凹槽7，第六凹槽7例如对称设置在第五凹槽6的两侧。
进一步地，在形成了第六凹槽7的第三衬底的下表面形成第二绝缘层9，该第二绝缘层9覆盖第六凹槽7的底面及周侧区域，第二绝缘层9的材料为二氧化硅或氮化硅的至少一种，厚度为100-1000nm。
进一步地，在第二绝缘层9上制备第二电感线圈层8，第二电感线圈层8包括若干根间隔设置的电感线，呈螺旋结构。
其中，第二电感线圈层8的材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的至少一种，厚度为50-500nm。
其中，可选地，第五凹槽6的侧壁与第六凹槽7的侧壁相交叠，交叠区域的高度不小于100μm。这保证在振动作用下，第二永磁体2能够深入第二电感线圈层8，这有助于大幅提升本发明的能量收集器的灵敏度。
可选地，第二凹槽3与第五凹槽6的深度之和大于第二永磁体2的高度，优选地，第二永磁体2的高度大于或等于第二凹槽3的深度，这有助于增大在振动作用下第二永磁体2的位移量，提高能量收集量程。
可选地，第五凹槽6的截面尺寸大于第二永磁体2的截面尺寸，由此，在振动作用下，第二永磁体2可自由插入第五凹槽6。优选的，该第五凹槽6的截面面积是第二永磁体2的截面面积的1.5-3.0倍，这既有助于降低第五凹槽6与第二永磁体2间的对准难度，又有助于保证振动作用下的第二永磁体2位移能引起较大的电感值的变化，从而进一步提升本发明的能量收集器的灵敏度。
可选地，第一衬底4与第二衬底14之间所形成的结构、第一衬底4与第三衬底5之间所形成的结构相互对称。
本发明所提出的MEMS电感式振动能量收集器的工作原理如下：
在振动环境下，振动敏感膜1发生弯曲，导致设置在振动敏感膜1上的第一永磁体12与第二永磁体2分别和第一电感线圈层16以及第二电感线圈层8产生相对运动，并引起第一电感线圈层16和第二电感线圈层8的磁通量发生大的变化，进而导致在电感线圈层与外接负载形成的闭合回路中产生感应电流，从而实现动能转换为电能。在剧烈振动环境下，拾振结构可穿过开放孔，从而扩展了拾振结构的运动范围并避免了拾振结构与腔体间碰撞导致的能量损失及机械可靠性问题，这有助于提高能量收集器的能量收集效率和可靠性。
实施例2
本发明还提出一种MEMS电感式振动能量收集器的制备方法，具体地，该制备方法包括如下步骤：
(a)选用约500μm厚的N型(100)单晶硅片作为第一衬底4，通过正反面光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到高度约为240μm的第一凹槽20和第四凹槽3，同时得到厚度约为20μm的振动敏感薄膜1；
(b)通过组装的方式在振动敏感膜1的上、下表面安装镍铁合金(长×宽×高＝200μm×200μm×600μm)作为第一永磁体12和第二永磁体2；
(c)选用500μm厚的N型(100)单晶硅片作为第二衬底14，通过对第二衬底14的上表面进行光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到深度约为400μm、底部截面尺寸为400μm×400μm的第三凹槽13；
(d)对步骤(c)得到的第二衬底14的下表面进行双面对准光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到在第三凹槽13左右两侧对称分布的第四凹槽17，第四凹槽17深度为400μm；
(e)对步骤(d)得到的第二衬底14的上表面进行双面对准光刻和ICP刻蚀出第一开放孔18；
(f)通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在第二衬底14的上表面形成500nm的二氧化硅作为第一绝缘层15；
(g)在第二衬底14的上表面通过剥离和电子束蒸发技术制备20nm Ti和100nm Au，形成第一电感线圈层16；
(h)选用500μm厚的N型(100)单晶硅片作为第三衬底5，通过对第三衬底5的上表面进行光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到深度为400μm、底部截面尺寸为400μm×400μm的第五凹槽6；
(i)对步骤(h)得到的第三衬底5的下表面进行双面对准光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，在第五凹槽6左右两侧对称分布的第六凹槽7，第六凹槽7深度约为400μm；
(j)对步骤(i)得到的第三衬底5的下表面进行双面对准光刻和ICP刻蚀出第二开放孔10；
(k)通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在第三衬底5的下表面形成500nm的二氧化硅作为第二绝缘层9；
(1)在第三衬底5的下表面通过剥离和电子束蒸发技术制备20nm Ti和100nmAu，形成第二电感线圈层8；
(m)将步骤(b)得到的第一衬底4的上表面与步骤(g)得到的第二衬底14的下表面通过粘结剂键合的方式连接在一起，形成第一开放腔19；
(n)将步骤(m)得到的键合片的下表面与步骤(1)得到的第三衬底5的上表面通过粘结剂键合的方式连接在一起，形成第二开放腔11，并完成器件的制备。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
1、与现有技术相比，本发明的能量收集器采用开放孔设计，其拾振结构的运动范围没有被局限在腔体内，运动范围宽，因此，可有效收集环境能量，具有高的能量收集效率和高的机械可靠性；
2、本发明的电感线圈呈三维分布，在不增加器件面积的条件下，可有效增加电感线圈的匝数，这可有效提高器件的能量收集效率和输出功率密度；
3、本发明的MEMS电感式压力传感器可采用MEMS加工工艺进行高精度、高一致性、低成本制备。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (10)
1.一种MEMS电感式振动能量收集器，其特征在于，所述MEMS电感式振动能量收集器包括：
堆叠的第一衬底、第二衬底、第三衬底，其中第二衬底、第三衬底分别设置于所述第一衬底的上、下表面；
第一凹槽，设置在所述第一衬底的上表面；
第二凹槽，设置在所述第一衬底的下表面；
振动敏感膜，间隔所述第一凹槽和所述第二凹槽设置在所述第一衬底上；
第一永磁体，设置在所述振动敏感膜的上表面，位于所述第一凹槽中；
第二永磁体，设置在所述振动敏感膜的下表面，位于所述第二凹槽中；
第三凹槽，设置在所述第二衬底的下表面，与所述第一凹槽形成开放腔；
第四凹槽，环绕并间隔所述第三凹槽设置在所述第二衬底的上表面；
第一开放孔，设置在所述第二衬底的上表面，正对所述第三凹槽并贯通所述第二衬底；
第一电感线圈层，设置在所述第二衬底的上表面，覆盖所述第四凹槽的底表面及周侧区域；
第五凹槽，设置在所述第三衬底的上表面，与所述第二凹槽形成开放腔；
第六凹槽，环绕并间隔所述第五凹槽设置在所述第三衬底的下表面；
第二开放孔，设置在所述第三衬底的下表面，正对所述第五凹槽并贯通所述第三衬底；
第二电感线圈层，设置在所述第三衬底的下表面，覆盖所述第六凹槽的底表面及周侧区域。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS电感式振动能量收集器，其特征在于，还包括介于所述第二衬底的上表面和所述第一电感线圈层之间的第一绝缘层；和/或还包括介于所述第三衬底的下表面和所述第二电感线圈层之间的第二绝缘层。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS电感式振动能量收集器，其特征在于，所述第一永磁体的高度大于或等于所述第一凹槽的深度；和/或所述第二永磁体的高度大于或等于所述第二凹槽的深度。
4.根据权利要求3所述的一种MEMS电感式振动能量收集器，其特征在于，所述第一永磁体的高度小于所述第一凹槽和所述第三凹槽的深度之和；和/或所述第二永磁体的高度小于所述第二凹槽和所述第五凹槽的深度之和。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS电感式振动能量收集器，其特征在于，所述第三凹槽的截面尺寸大于所述第一永磁体的截面尺寸；和/或所述第五凹槽的截面尺寸大于所述第二永磁体的截面尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS电感式振动能量收集器，其特征在于，所述第四凹槽对称设置在所述第三凹槽的两侧；和/或所述第六凹槽对称设置在所述第五凹槽的两侧。
7.根据权利要求1所述的一种MEMS电感式振动能量收集器，其特征在于，所述第一电感线圈层及所述第二电感线圈层包括若干根间隔设置的电感线。
8.根据权利要求1或7所述的一种MEMS电感式振动能量收集器，其特征在于，所述第四凹槽的侧壁与所述第三凹槽的侧壁相交叠；和/或所述第六凹槽的侧壁与所述第五凹槽的侧壁相交叠。
9.一种MEMS电感式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择第一衬底，刻蚀所述第一衬底的上、下表面，形成第一凹槽、第二凹槽、振动敏感膜，其中所述第一凹槽与所述第二凹槽间隔所述振动敏感膜设置；
在所述振动敏感膜的上、下表面分别安装第一永磁体和第二永磁体；
选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的下表面，形成第三凹槽；
刻蚀所述第二衬底的上表面，形成分布在所述第三凹槽两侧的第四凹槽；
刻蚀所述第二衬底的上表面，形成第一开放孔，所述第一开放孔正对所述第三凹槽并贯通所述第二衬底；
在所述第二衬底的上表面制备第一电感线圈层，所述第一电感线圈层覆盖所述第四凹槽的底表面及周侧区域；
选择第三衬底，刻蚀所述第三衬底的上表面，形成第五凹槽；
刻蚀所述第三衬底的下表面，形成分布在所述第五凹槽两侧的第六凹槽；
刻蚀所述第三衬底的下表面，形成第二开放孔，所述第二开放孔正对所述第五凹槽并贯通所述第三衬底；
在所述第三衬底的下表面制备第二电感线圈层，所述第二电感线圈层覆盖所述第六凹槽的底表面及周侧区域；
键合所述第一衬底、所述第二衬底、所述第三衬底，所述第一凹槽和所述第三凹槽形成第一开放腔，所述第二凹槽和所述第五凹槽形成第二开放腔。
10.根据权利要求9所述的一种MEMS电感式振动能量收集器的制备方法，其特征在于，所述制备第一电感线圈层还包括预先在所述第二衬底的上表面制备第一绝缘层；和/或所述制备第二电感线圈层还包括预先在所述第三衬底的下表面制备第二绝缘层。
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