CN114123861B - 一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置及制备方法，它包括：振动能量转换器、硅质量块、平板电容上电极支撑、基座；硅质量块和平板电容上电极支撑设在振动能量转换器上；振动能量转换器包括：SOI基板、硅梁、梳齿电容弹簧、梳齿支撑杆、叉指电容器；基座通过SOI基板通过背向刻蚀所形成；SOI基板中设有器件层；硅梁设在器件层内；叉指电容器和梳齿电容弹簧分别对称设在梳齿支撑杆两侧；本技术方案在通过非线性和多模态机制的结合能够拓宽能量采集器的频域；模态峰值之间能够获得较小非共振区域，能使能量采集频域最大化；并形成自供电能量、灵敏度高的采集器。
Description
技术领域
本发明属于MEMS静电能量采集技术领域，具体涉及一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置及制备方法。
背景技术
随着物联网和无线传感网络技术的发展，能够实现自供电的传感器成为研究者们关注的热点问题；相比于传统化学电池的难以更换和维护，从环境中获取能量为低功率传感器持续供电是更加环保与方便的方法。
我们生活的环境中有各种各样的能源，振动能源以其在环境中广泛分布的特点受到人们的关注；环境中的振动能量大都具有随机、低频且宽频的特点；现有振动能量采集可以分为线性和非线性的方法；其中，梁阵列、多质量和特殊弹簧耦合等结构利用多模态机制与线性梁相结合的方法，相比于纯线性结构能够大幅拓宽工作频域而一度成为研究的热点；然而，这种方法仅能够在一些特定的共振频域内有较大输出，且共振频率之间相距较远，导致工作频带依然很窄；将多模态机制与非线性方法相结合则能够很好的解决上述问题。
现有能够实现多模态与非线性相结合的结构大多采用磁耦合和碰撞结构；这两种结构都需要借助辅助装置，如磁铁和挡板产生非线性，这并不利于器件的小型化和MEMS一体化制造，进而不利于将传感器与能量采集器集成形成自供电传感器；相比之下，利用结构本身的非线性和多模态相结合的能量采集器则更加适用于MEMS传感器，满足实际需求；众所周知，一旦结构尺寸变小，则其工作频率变大，对于MEMS能量采集器来说降低工作频率则是结构设计的难点之一；因此，开发一种能够在低频环境中实现宽频振动能量采集的MEMS能量采集器，满足传感器自供电需求显得尤为重要。
发明内容
本发明目的是为了解决上述问题，而提出了能够应用于低频振动环境中的一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置及其制备方法。
一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，它包括：振动能量转换器1、硅质量块2、平板电容上电极支撑3、基座4；
所述的硅质量块2和平板电容上电极支撑3设在振动能量转换器1上；
所述的振动能量转换器1包括：SOI基板11、硅梁12、梳齿电容弹簧13、梳齿支撑杆14、叉指电容器15；
所述的基座4通过SOI基板11通过背向刻蚀所形成；SOI基板11中设有器件层5；硅梁12设在器件层5内；叉指电容器15和梳齿电容弹簧13分别对称设在梳齿支撑杆14两侧。
所述的硅梁12两侧对称设有SU-8梁，SU-8梁分为：左SU-8梁1211、右SU-8梁1212；左SU-8梁1211和右SU-8梁1212上设计有质量块支撑平台114以及溅射了平板电容下电极122、感测正电极124和感测负电极125。
所述的叉指电容器15包括：梳齿电容定梳齿151、梳齿电容动梳齿152；梳齿电容设有梳齿电容正电极161、梳齿电容负电极162；梳齿支撑杆14设在硅梁12一端；梳齿电容动梳齿152和梳齿电容弹簧13对称设在梳齿支撑杆14两侧；梳齿电容设有梳齿电容正电极161、梳齿电容负电极162；硅梁12另一端设有梳齿电容正电极161；梳齿电容定梳齿151与梳齿电容负电极162连接。
所述的平板电容上电极支撑3包括：支撑板36、平板电容上电极32、驻极体33；驻极体33为被极化的聚丙烯驻极体；驻极体33设在平板电容上电极32。
一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，所述的振动能量转换器，制备方法包括如下步骤：
（1）SOI基板11中分为器件层5、二氧化硅层7与衬底层6，清洗基板去除表面杂质备用；
（2）步骤（1）所述基板的器件层5上面旋涂1 μm厚的光刻胶8，光刻曝光，并显影出掩模版第一图形层A1；
（3）在光刻胶8掩蔽下利用干法刻蚀技术刻蚀器件层5，形成步骤（2）所述的掩模版第一图形层A1，掩模版第一图形层A1中分别形成硅梁12，梳齿电容弹簧13，梳齿支撑杆14，梳齿电容动梳齿152，梳齿电容定梳齿151；
（4）对上述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶8；
（5）在步骤（3）所述图案上旋涂SU-8负光刻胶，厚度为7 μm，并进行光刻曝光，在第二图形层A2分别显影出：SU-8隔离层111、左SU-8梁1211、右SU-8梁1212、质量块支撑平台114；
（6）在步骤（5）所述图案上分别溅射铬/金金属层9；
（7）在金属层9上旋涂3.4 μm光刻胶8，并对其进行光刻，显影出掩模版图形；
（8）将步骤（7）所述器件放入金刻蚀溶液中刻蚀8分钟，取出后进行水洗，并将其放入到铬刻蚀溶液中浸泡20秒，取出后，第三图形层A3分别形成：梳齿电容正电极161，平板电容下电极122，梳齿电容负电极163，感测正电极124，第三图形层A1感测负电极125接地电极17等电极图案；
（9）对步骤（8）所述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶8；
（10） 在衬底层6上旋涂3.4 μm光刻胶8，曝光显影出掩模版背向刻蚀图案，并放在恒温炉中烘烤，使光刻胶8硬化；
（11） 对步骤（10）所述图案利用干法刻蚀技术刻蚀形成基座4；
（12） 对步骤（11）所述器件进行湿法刻蚀，去除多余的二氧化硅层7，释放器件，剩下的二氧化硅层7作为防串联沟槽112；
（13） 利用显微镜，在步骤（5）所述器件的质量块支撑平台114上分别粘附不同尺寸硅质量块2并进行固化。
优选的，步骤（1）中所述SOI基板11器件层5，二氧化硅层7和衬底层6的厚度分别为7 μm，2 μm和300 μm，放入丙酮溶液和酒精溶液中利用超声剥离法进行清洗。
优选的，步骤（3）和（11）中所述干法刻蚀技术为反应离子深刻蚀技术，采用气体是SF6，速率为0.51 μm/循环，He气冷却。
优选的，步骤（6）所述金属层9，需要先溅射20 nm的铬层，再溅射180 nm的金层。
优选的，步骤（10）中所述烘烤温度为145摄氏度，烘烤时间1小时。
优选的，步骤（12）中所述湿法刻蚀技术所需溶液为加有NH4F的HF溶液，浸泡时间为20分钟。
优选的，步骤（13）中所述固化温度为130摄氏度，固化时间30分钟。
一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其硅质量块与极板间隙调节块，制备方法步骤如下：
（a）在衬底层6上面沉积二氧化硅层7；
（b）在步骤（a）所述二氧化硅层7上面旋涂3.4 μm光刻胶8并进行光刻和显影，形成掩模版上的图案；
（c）利用湿法刻蚀技术去掉多余的二氧化硅层7，形成多种尺寸矩形轮廓18；
（d）在衬底层6下面旋涂3.4 μm光刻胶8，进行曝光和显影，形成同步骤（c）所述同样的图案，并将其放在恒温炉中烘烤，使光刻胶8硬化；
（e）在光刻胶8掩蔽下利用干法刻蚀技术刻蚀步骤（d）所述图案，最终得到尺寸不一的矩形块层A4，在矩形块层A4分别呈现硅质量块2与极板间隙调节块31。
优选的，步骤（a）所述衬底层6厚度为300 μm，沉积方法是TEOS 气相沉积，二氧化硅层厚度约为300 nm。
优选的，步骤（c）中所述湿法刻蚀技术所需溶液为加有NH4F的HF溶液，浸泡时间为5分钟。
优选的，步骤（d）中所述烘烤温度为145摄氏度，烘烤时间为1小时。
优选的，步骤（e）中所述干法刻蚀技术为反应离子深刻蚀技术，采用气体是SF6，速率为0.51 μm/循环，He气冷却。
一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其平板电容上电极支撑3制备方法，包括如下步骤：
A.SOI基板分为器件层5二氧化硅层7与衬底层6，清洗基板去除表面杂质备用；
B.步骤A所述基板的器件层5上面旋涂3.4 μm厚的光刻胶8，光刻曝光，并显影出掩模版图形；
C.在光刻胶8掩蔽下利用干法刻蚀技术刻蚀器件层5，形成防串联的电极沟槽34结构，定位角35和支撑板36；
D.对步骤C所述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶8；
E.在步骤C所述图案上分别溅射铬/金金属层9；
F.在步骤E所述金属层上旋涂3.4 μm厚的光刻胶8，光刻曝光，并显影出掩模版图形；
G.将步骤F所述器件放入金刻蚀溶液中刻蚀8分钟，取出后进行水洗，并将其放入到铬刻蚀溶液中浸泡20秒，取出后形成平板电容上电极32并使防串联的电极沟槽34结构露出；
H.对步骤G所述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶8；
I.利用显微镜，将被极化的聚丙烯驻极体33薄膜利用导电胶与平板电容上电极32粘合；
J.利用显微镜，将极板间隙调节块31粘合在支撑板36上并进行固化。
一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其装配方法是：
i.在显微镜下，将前述步骤（13）中所述器件放在底层，并连接相关导线；
ii. 利用激光多普勒仪先对步骤i所述器件的硅质量块2的最大输出位移进行标定，计算出合适的平板电容极板间距；
iii.将步骤J所述器件层连接好导线后翻转180度，通过极板间隙调节块4与支撑板301上的定位角305对准粘接到一起；
iv. 将粘接好的器件放置在130摄氏度的恒温炉中固化30分钟。
优选的，步骤A中所述SOI基板器件层5，二氧化硅层7和衬底层6的厚度分别为5 μm，1 μm和200 μm，放入丙酮溶液和酒精溶液中利用超声剥离法进行清洗。
优选的，步骤C中所述干法刻蚀技术为反应离子深刻蚀技术，采用气体是SF6，速率为0.51 μm/循环，He气冷却。
优选的，步骤E所述金属层9，需要先溅射20 nm的铬层，再溅射180 nm的金层。
优选的，步骤I所述极化后聚丙烯驻极体33上电极侧与平板电容上电极32粘合。
优选的，步骤J中所述固化温度为130摄氏度，固化时间为30分钟。
一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置的采集方法，包括下列步骤：
（1）将宽频域MEMS振动能量采集装器置于低频振动环境中，环境振动频率能够与能量采集器中的某一根SU-8梁固有频率相匹配，产生共振；
（2）由于一端共振，共振端SU-8梁将会在z方向产生较大幅值，导致柔性硅梁12受力，使其在其平衡位置周围产生往复运动，从而改变了另一根SU-8梁的刚度，实现参数耦合，频率调谐；两根SU-8柔性梁受到彼此横向位移周期性调制刚度的表达式为：
其中，K 1 ，K 2分别是左SU-8梁1211和右SU-8梁1212的刚度。E su8是SU-8的弹性模量，w是SU-8梁的宽度，H是SU-8梁的高度，L 1 ，L 2 分别是两根SU-8梁的长度，Kx1，Kx2，分别是两根SU-8梁在x方向上的轴向刚度，Kx是两根SU-8梁和硅梁12在x方向的串联刚度，z 1(t)，z 2(t)分别是两根SU-8梁z方向上的横向位移，λ 1，λ 2是硅梁12分别在两根SU-8梁对的作用下所产生的z方向位移参数；另外的，以上参数下角标1和2分别代表了左SU-8梁1211和右SU-8梁1212，没有角标的参数则代表两根梁在此参数上具有相同的取值；
（3）因为两根SU-8梁拥有不同的振动幅值，选用不同平板电容的极板间距，产生输出电压，聚丙烯驻极体与上下电极构成串联电容模型，通过导线和负载电阻构成闭合回路；
（4）一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置的运动学横向振动方程与电学方程分别为：
其中，Ceq1， Ceq2 是阻尼，Meq1=(1/2)ρsu8Vb1+ρsiVm1 和 Meq2=(1/2)ρsu8Vb2+ρsiVm2是等效质量，ρsu8，ρsi分别是SU-8和硅的密度。Vb1，Vb2是两根SU-8梁的体积，Vm1，Vm2 分别是两个质量块的体积，是外界激励加速度，下角标1和2分别代表左SU-8梁1211和右SU-8梁1212；
激励加速度为0.184 m/s2时，能量采集装置左SU-8梁1211和右SU-8梁1212在能发生参数耦合和不能发生参数耦合两种状态下的对比分析频谱图。从图中可知，在低频下，不能发生参数耦合的结构左SU-8梁1211和右SU-8梁1212的半带宽分别是38.2与39.5 Hz，能够发生参数耦合的结构能够拓宽频域分别为41.2 Hz，58.8Hz。相比于不能发生参数耦合的结构，能够发生参数耦合的结构在带宽上分别提高了约8%和49%；
（5）静电力与硅梁12刚度的关系式为：
其中，Kmx是硅梁12在x方向的刚度，Lm是其长度，Pcr是其临界力，Fj是静电力，δ =ky/Ky分别是梳齿电容弹簧103和硅梁12在y方向的刚度比。
本发明提供了一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，它包括：振动能量转换器1、硅质量块2、平板电容上电极支撑3、基座4；硅质量块2和平板电容上电极支撑3设在振动能量转换器1上；振动能量转换器1包括：SOI基板11、硅梁12、梳齿电容弹簧13、梳齿支撑杆14、叉指电容器15；基座4通过SOI基板11通过背向刻蚀所形成；SOI基板11中设有器件层5；硅梁12设在器件层5内；叉指电容器15和梳齿电容弹簧13分别对称设在梳齿支撑杆14两侧；本技术方案在通过非线性和多模态机制的结合能够拓宽能量采集器的频域；模态峰值之间能够获得较小非共振区域，能使能量采集频域最大化；并形成自供电能量、灵敏度高的采集器。
本发明创造具有的优点和积极效果是：
1、通过非线性和多模态机制的结合能够拓宽能量采集器的频域。非线性机制能通过双端固支结构实现，不需要添加其他附加机制，如磁铁等，简化了结构设计，实现原位频率调谐。多模态机制使每根SU-8梁都有两个较大峰值，在非线性机制作用的基础上近一步拓宽了工作频域。
2、模态峰值之间能够获得较小非共振区域，能使能量采集频域最大化。若模态峰值之间相距较远，耦合作用则会减弱，不利于频域拓宽。本发明所提出器件，能通过调节两根SU-8梁质量块的大小获得不同的频率比寻到最优解，最大程度上拓宽频域。
3、结构设计适用于微纳制造工艺进行制造。本发明中采用静电梳齿结构能够实现主动并连续的调节结构参数。通过平板电容输出电压，使器件拥有更高的灵敏度，更有利于与感测部分集成，形成自供电能量采集器。
附图说明
图1是本发明一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置的结构示意图；
图2是本发明一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置的振动能量转换器各部分结构分布示意图；
图3是本发明一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置的平板电容上电极支撑与极板间隙调节块组合后的仰视图和主视图；
图4是本发明一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置的SOI基板制作振动能量转换器过程中各步骤形状变化剖面示意图；
其中：
图4-a为SOI基板制作初始状态示意图；
图4-b为在SOI基板器件层旋涂光刻胶后的示意图；
图4-c为SOI基板器件层经过干法刻蚀技术后的窗口状态示意图；
图4-d为在SOI基板器件层旋涂SU-8光刻胶后的示意图；
图4-e为SU-8光刻胶经过显影后的示意图；
图4-f为采用溅射技术在SOI基板器件层涂覆金属层的示意图；
图4-g为在金属层上旋涂光刻胶后的示意图；
图4-h为金属层经过湿法刻蚀技术后的器件状态示意图；
图4-i为在SOI基板衬底层旋涂光刻胶后的示意图；
图4-j为SOI基板衬底层经过干法刻蚀技术后的器件状态示意图；
图4-k为SOI基板二氧化硅层经过湿法刻蚀技术后器件释放的示意图；
图4-l为手动将硅质量块放置在质量块支撑平台上后的器件示意图；
图5组图为硅基板制作硅质量块与极板间隙调节块过程中各步骤形状变化剖面示意图；
其中：
图5-a为硅基板上面沉积二氧化硅层后的示意图；
图5-b为在二氧化硅层上旋涂光刻胶后的示意图；
图5-c为二氧化硅层经过湿法刻蚀技术后的状态示意图；
图5-d为硅基板下面旋涂光刻胶后的示意图；
图5-e为硅基板经过干法刻蚀技术后硅质量块与极板间隙调节块形成示意图；
图6组图为SOI基板制作平板电容上电极支撑板过程中各步骤形状变化剖面示意图；
其中：
图6-a为SOI基板制作初始状态示意图；
图6-b为在SOI基板器件层旋涂光刻胶后的示意图；
图6-c为SOI基板器件层经过干法刻蚀技术后的窗口状态示意图；
图6-d为采用溅射技术在SOI基板器件层涂覆金属层的示意图；
图6-e为在金属层上旋涂光刻胶后的示意图；
图6-f为金属层经过湿法刻蚀技术后的器件状态示意图；
图6-g为在金属层上手动粘附极化聚丙烯驻极体后的器件示意图；
图6-h为手动将极板间隙调节块放置在平板电容上电极支撑板后的器件示意图；
图7为本发明振动能量采集器剖面示意图；
图8为激励加速度为0.184 m/s2时，能量采集装置在能发生参数耦合和不能发生参数耦合两种状态下的对比分析频谱图；
图中：振动能量转换器1，硅质量块2，平板电容上电极支撑3，SOI基板11，硅梁12，梳齿电容弹簧13，梳齿支撑杆14，叉指电容器15，隔离层111，防串联沟槽112，质量块支撑平台114，左SU-8梁1211，右SU-8梁1212，平板电容下电极122，感测正电极124，感测负电极125，梳齿电容定梳齿151，梳齿电容动梳齿152，梳齿电容正电极161，梳齿电容负电极162，负光刻胶18、极板间隙调节块31，平板电容上电极32，驻极体33，电极沟槽34，定位角35，支撑板36、基座4，器件层5，二氧化硅层7，衬底层6，光刻胶8，金属层9，玻璃针10。
具体实施方式
实施例1一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置
参见图1至图3所示，一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，它包括：振动能量转换器1、硅质量块2、平板电容上电极支撑3；
所述的硅质量块2粘接在振动能量转换器1上；平板电容上电极支撑3通过极板间隙调节块31粘接在振动能量转换器1上；
所述的振动能量转换器1包括：SOI基板11、硅梁12、梳齿电容弹簧13、梳齿支撑杆14、叉指电容器15、梳齿电容；
所述的SOI基板11通过背向刻蚀所形成的悬空结构的基座4；SOI基板11中设有器件层5；
所述的SOI基板11上设有隔离层111、防串联沟槽112，隔离层111为SU-8隔离层；
所述的硅梁12呈细长形设在SOI基板11的器件层5内；
所述的硅梁12两侧对称设有SU-8梁，SU-8梁分为：左SU-8梁1211、右SU-8梁1212；
所述的左SU-8梁1211和右SU-8梁1212上设计有质量块支撑平台114以及溅射了平板电容下电极122、感测正电极124和感测负电极125；
所述的叉指电容器15包括：梳齿电容定梳齿151、梳齿电容动梳齿152；梳齿电容定梳齿151与梳齿电容动梳齿152装配配合；
所述的梳齿支撑杆14设在硅梁12一端；梳齿电容动梳齿152和梳齿电容弹簧13对称设在梳齿支撑杆14两侧；
所述的梳齿电容设有梳齿电容正电极161、梳齿电容负电极162；硅梁12另一端设有梳齿电容正电极161；梳齿电容定梳齿151与梳齿电容负电极162连接；
所述的SOI基板11上还设有接地电极17，接地电极17用于器件保护接地；
所述的平板电容上电极支撑3包括：支撑板36、平板电容上电极32、驻极体33；
所述的驻极体33为被极化的聚丙烯驻极体；驻极体33设在平板电容上电极32；
所述的支撑板36上还设有电极沟槽34、定位角35；电极沟槽34起防串联作用；定位角35便于极板间隙调节块31安装。
实施例2一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置中振动能量转换器制备方法
本技术方案的一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置是一种用于低频振动环境的宽频域MEMS振动能量采集装置；
参见图4中a至l所示，振动能量转换器制备方法，包括如下步骤：
（1）SOI基板11中分为器件层5、二氧化硅层7与衬底层6，清洗基板去除表面杂质备用；
（2）步骤（1）所述基板的器件层5上面旋涂1 μm厚的光刻胶8，光刻曝光，并显影出掩模版第一图形层A1；
（3）在光刻胶8掩蔽下利用干法刻蚀技术刻蚀器件层5，形成步骤（2）所述的掩模版第一图形层A1，掩模版第一图形层A1中分别形成硅梁12，梳齿电容弹簧13，梳齿支撑杆14，梳齿电容动梳齿152，梳齿电容定梳齿151；
（4）对上述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶8；
（5）在步骤（3）所述图案上旋涂SU-8负光刻胶，厚度为7 μm，并进行光刻曝光，在第二图形层A2分别显影出：SU-8隔离层111、左SU-8梁1211、右SU-8梁1212、质量块支撑平台114；
（6）在步骤（5）所述图案上分别溅射铬/金金属层9；
（7）在金属层9上旋涂3.4 μm光刻胶8，并对其进行光刻，显影出掩模版图形；
（8）将步骤（7）所述器件放入金刻蚀溶液中刻蚀8分钟，取出后进行水洗，并将其放入到铬刻蚀溶液中浸泡20秒，取出后，第三图形层A3分别形成：梳齿电容正电极161，平板电容下电极122，梳齿电容负电极163，感测正电极124，第三图形层A3感测负电极125接地电极17等电极图案；
（9）对步骤（8）所述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶8；
（10） 在衬底层6上旋涂3.4 μm光刻胶8，曝光显影出掩模版背向刻蚀图案，并放在恒温炉中烘烤，使光刻胶8硬化；
（11） 对步骤（10）所述图案利用干法刻蚀技术刻蚀形成基座4；
（12） 对步骤（11）所述器件进行湿法刻蚀，去除多余的二氧化硅层7，释放器件，剩下的二氧化硅层7作为防串联沟槽112；
（13） 利用显微镜，在步骤（5）所述器件的质量块支撑平台114上分别粘附不同尺寸硅质量块2并进行固化。
优选的，步骤（1）中所述SOI基板11器件层5，二氧化硅层7和衬底层6的厚度分别为7 μm，2 μm和300 μm，放入丙酮溶液和酒精溶液中利用超声剥离法进行清洗；
优选的，步骤（3）和（11）中所述干法刻蚀技术为反应离子深刻蚀技术，采用气体是SF6，速率为0.51 μm/循环，He气冷却；
优选的，步骤（6）所述金属层9，需要先溅射20 nm的铬层，再溅射180 nm的金层；
优选的，步骤（10）中所述烘烤温度为145摄氏度，烘烤时间1小时；
优选的，步骤（12）中所述湿法刻蚀技术所需溶液为加有NH4F的HF溶液，浸泡时间为20分钟；
优选的，步骤（13）中所述固化温度为130摄氏度，固化时间30分钟。
实施例3一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置中硅质量块与极板间隙调节块制备方法
参见图5中a至e所示，一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置中硅质量块2与极板间隙调节块31制备方法，包括如下步骤：
（a）在衬底层6上面沉积二氧化硅层7；
（b）在步骤（a）所述二氧化硅层7上面旋涂3.4 μm光刻胶8并进行光刻和显影，形成掩模版上的图案；
（c）利用湿法刻蚀技术去掉多余的二氧化硅层7，形成多种尺寸矩形轮廓18；
（d）在衬底层6下面旋涂3.4 μm光刻胶8，进行曝光和显影，形成同步骤（c）所述同样的图案，并将其放在恒温炉中烘烤，使光刻胶8硬化；
（e）在光刻胶8掩蔽下利用干法刻蚀技术刻蚀步骤（d）所述图案，最终得到尺寸不一的矩形块层A4，在矩形块层A4分别呈现硅质量块2与极板间隙调节块31。
优选的，步骤（a）所述衬底层6厚度为300 μm，沉积方法是TEOS 气相沉积，二氧化硅层厚度约为300 nm；
优选的，步骤（c）中所述湿法刻蚀技术所需溶液为加有NH4F的HF溶液，浸泡时间为5分钟；
优选的，步骤（d）中所述烘烤温度为145摄氏度，烘烤时间为1小时；
优选的，步骤（e）中所述干法刻蚀技术为反应离子深刻蚀技术，采用气体是SF6，速率为0.51 μm/循环，He气冷却。
实施例4一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置平板电容上电极支撑制备方法
参见图6中a至h所示，一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置中平板电容上电极支撑3制备方法，包括如下步骤：
A. SOI基板分为器件层5二氧化硅层7与衬底层6，清洗基板去除表面杂质备用；
B. 步骤A所述基板的器件层5上面旋涂3.4 μm厚的光刻胶8，光刻曝光，并显影出掩模版图形；
C. 在光刻胶8掩蔽下利用干法刻蚀技术刻蚀器件层5，形成防串联的电极沟槽34结构，定位角35和支撑板36；
D. 对步骤C所述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶8；
E. 在步骤C所述图案上分别溅射铬/金金属层9；
F. 在步骤E所述金属层上旋涂3.4 μm厚的光刻胶8，光刻曝光，并显影出掩模版图形；
G. 将步骤F所述器件放入金刻蚀溶液中刻蚀8分钟，取出后进行水洗，并将其放入到铬刻蚀溶液中浸泡20秒，取出后形成平板电容上电极32并使防串联的电极沟槽34结构露出；
H. 对步骤G所述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶8；
I. 利用显微镜，将被极化的聚丙烯驻极体33薄膜利用导电胶与平板电容上电极32粘合；
J. 利用显微镜，将极板间隙调节块31粘合在支撑板36上并进行固化。
优选的，步骤A中所述SOI基板器件层5，二氧化硅层7和衬底层6的厚度分别为5 μm，1 μm和200 μm，放入丙酮溶液和酒精溶液中利用超声剥离法进行清洗；
优选的，步骤C中所述干法刻蚀技术为反应离子深刻蚀技术，采用气体是SF6，速率为0.51 μm/循环，He气冷却；
优选的，步骤E所述金属层9，需要先溅射20 nm的铬层，再溅射180 nm的金层；
优选的，步骤I所述极化后聚丙烯驻极体33上电极侧与平板电容上电极32粘合；
优选的，步骤J中所述固化温度为130摄氏度，固化时间为30分钟。
实施例5一种用于低频振动环境的宽频域MEMS振动能量采集装置的装配方法
参见图7所示，一种用于低频振动环境的宽频域MEMS振动能量采集装置的装配方法是：
i. 在显微镜下，将步骤（13）中所述器件放在底层，并连接相关导线；
ii.利用激光多普勒仪先对步骤i所述器件的硅质量块2的最大输出位移进行标定，计算出合适的平板电容极板间距；
iii.将步骤J所述器件层连接好导线后翻转180度，通过极板间隙调节块4与支撑板301上的定位角305对准粘接到一起；
iv.将粘接好的器件放置在130摄氏度的恒温炉中固化30分钟。
在外界低频振动频率的作用下，左SU-8梁1211和右SU-8梁1212同时受到激励并在z方向产生振动；它们通过同一根柔性硅梁12进行连接，形成两个具有柔性支撑的双端固支梁结构，双端固支梁结构在较大激励下能产生结构非线性，拥有一定的频域拓宽效果；此外，两根左SU-8梁1211和右SU-8梁1212拥有不同的共振频率，当激励频率到达左SU-8梁1211共振频率附近时，它具有较大的输出位移，柔性硅梁12则会因为受到它的牵引力而产生空间运动，从而牵动右SU-8梁1212运动并使其产生较大位移；同样的，若激励频率接近右SU-8梁1212的共振频率时，右SU-8梁1212具有较大输出位移，则会通过柔性硅梁12增大左SU-8梁1211的输出位移；
从刚度角度上看，左SU-8梁1211和右SU-8梁1212的横向位移能够周期性的调节彼此的刚度，形成参数耦合，产生多模态，实现频率调谐，从而达到拓宽频域的目的。本发明主要采用平板电容输出，不同的输出位移能改变平板电容的极板间距，从而输出不同电压；梳齿电容的作用是通过在梳齿上施加电压产生y向压缩力，柔性硅梁12因为受压刚度发生改变，从而实现主动且连续调节系统参数的目的；
一种用于低频振动环境的宽频域MEMS振动能量采集装置的采集方法是，包括下列步骤：
（1）将宽频域MEMS振动能量采集装器置于低频振动环境中，环境振动频率能够与能量采集器中的某一根SU-8梁固有频率相匹配，产生共振；
（2）由于一端共振，共振端SU-8梁将会在z方向产生较大幅值，导致柔性硅梁12受力，使其在其平衡位置周围产生往复运动，从而改变了另一根SU-8梁的刚度，实现参数耦合，频率调谐；两根SU-8柔性梁受到彼此横向位移周期性调制刚度的表达式为：
其中，K 1 ，K 2分别是左SU-8梁1211和右SU-8梁1212的刚度。E su8是SU-8的弹性模量，w是SU-8梁的宽度，H是SU-8梁的高度，L 1 ，L 2 分别是两根SU-8梁的长度，Kx1，Kx2，分别是两根SU-8梁在x方向上的轴向刚度，Kx是两根SU-8梁和硅梁12在x方向的串联刚度，z 1(t)，z 2(t)分别是两根SU-8梁z方向上的横向位移，λ 1，λ 2是硅梁12分别在两根SU-8梁对的作用下所产生的z方向位移参数；另外的，以上参数下角标1和2分别代表了左SU-8梁1211和右SU-8梁1212，没有角标的参数则代表两根梁在此参数上具有相同的取值；
（3）因为两根SU-8梁拥有不同的振动幅值，选用不同平板电容的极板间距，产生输出电压，如图7所示，聚丙烯驻极体与上下电极构成串联电容模型，通过导线和负载电阻构成闭合回路，根据基尔霍夫定理可知：
根据串联电容的计算公式可知：
其中，F er是平板电容产生的静电力，Q是驻极体的总电荷量，Q 1 (t)是电容间距变化产生的电荷移动，C(t)是总体电容，C 1是动电极与驻极体之间的电容，C 2是驻极体的电容，ε 1为动电极与驻极体之间的介电常数，ε 2为驻极体之间的介电常数，ε 0是真空中的介电常数，A是平板电极的正对面积，d是驻极体的厚度，g是动电极与驻极体之间的距离，R是外接负载电阻。
（4）根据欧拉伯努利梁与小变形理论，利用分布参数法，列出本发明所涉及用于低频振动环境的宽频域MEMS振动能量采集器的运动学横向振动方程与电学方程分别为：
其中，C eq1， C eq2 是阻尼，M eq1=(1/2)ρ su8 V b1+ρ si V m1 和 M eq2=(1/2)ρ su8 V b2+ρ si V m2是等效质量，ρ su8，ρ si分别是SU-8和硅的密度。V b1，V b2是两根SU-8梁的体积，V m1，V m2 分别是两个质量块的体积，是外界激励加速度，下角标1和2分别代表左SU-8梁1211和右SU-8梁1212；
参见附图8所示，图8展示了在激励加速度为0.184 m/s2时，能量采集装置左SU-8梁1211和右SU-8梁1212在能发生参数耦合和不能发生参数耦合两种状态下的对比分析频谱图。从图中可知，在低频下，不能发生参数耦合的结构左SU-8梁1211和右SU-8梁1212的半带宽分别是38.2与39.5 Hz，能够发生参数耦合的结构能够拓宽频域分别为41.2 Hz，58.8Hz。相比于不能发生参数耦合的结构，能够发生参数耦合的结构在带宽上分别提高了约8%和49%；
（5）为了近一步调节系统参数，能通过给梳齿电容正电极161和与梳齿电容负电极162分别施加正负极电压，给硅梁12施加压力，使其刚度发生改变，从而影响左SU-8梁1211和右SU-8梁1212的输出，则静电力与硅梁12刚度的关系式为：
其中，K mx是硅梁12在x方向的刚度，L m是其长度，P cr是其临界力，F j是静电力，δ=k y/K y分别是梳齿电容弹簧103和硅梁12在y方向的刚度比。
Claims (4)
1.一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其特征在于，它包括：振动能量转换器（1）、硅质量块（2）、平板电容上电极支撑（3）；
所述的硅质量块（2）和平板电容上电极支撑（3）设在振动能量转换器（1）上；
所述的振动能量转换器（1）包括：SOI基板（11）、硅梁（12）、梳齿电容弹簧（13）、梳齿支撑杆（14）、叉指电容器（15）；
基座（4）通过SOI基板（11）通过背向刻蚀所形成；SOI基板（11）中设有器件层（5）；硅梁（12）设在器件层（5）内；叉指电容器（15）和梳齿电容弹簧（13）分别对称设在梳齿支撑杆（14）两侧；
所述的硅梁（12）两侧对称设有SU-8梁，SU-8梁分为：左SU-8梁（1211）、右SU-8梁（1212）；左SU-8梁（1211）和右SU-8梁（1212）上设计有质量块支撑平台（114）以及溅射了平板电容下电极（122）、感测正电极（124）和感测负电极（125）；
所述的叉指电容器（15）包括：梳齿电容定梳齿（151）、梳齿电容动梳齿（152）；梳齿电容设有梳齿电容正电极（161）、梳齿电容负电极（162）；梳齿支撑杆（14）设在硅梁（12）一端；梳齿电容动梳齿（152）和梳齿电容弹簧（13）对称设在梳齿支撑杆（14）两侧；硅梁（12）另一端设有梳齿电容正电极（161）；梳齿电容定梳齿（151）与梳齿电容负电极（162）连接；
所述的平板电容上电极支撑（3）包括：支撑板（36）、平板电容上电极（32）、驻极体（33）；驻极体（33）为被极化的聚丙烯驻极体；驻极体（33）设在平板电容上电极（32）；
所述的支撑板(36）上还设有电极沟槽（34）、定位角（35）；电极沟槽（34）起防串联作用；定位角（35）便于极板间隙调节块(31)安装；平板电容上电极支撑（3）通过极板间隙调节块（31）粘接在振动能量转换器（1）上。
2.根据权利要求1所述的一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其特征在于：所述的振动能量转换器，制备方法包括如下步骤：
（1）SOI基板（11）中分为器件层（5）、二氧化硅层（7）与衬底层（6），清洗基板去除表面杂质备用；
（2）步骤（1）所述基板的器件层（5）上面旋涂1 μm厚的光刻胶（8），光刻曝光，并显影出掩模版第一图形层（A1）；
（3）在光刻胶（8）掩蔽下利用干法刻蚀技术刻蚀器件层（5），形成步骤（2）所述的掩模版第一图形层（A1），掩模版第一图形层（A1）中分别形成硅梁（12），梳齿电容弹簧（13），梳齿支撑杆（14），梳齿电容动梳齿（152），梳齿电容定梳齿（151）；
（4）对上述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶（8）；
（5）在步骤（3）形成的图案上旋涂SU-8负光刻胶，厚度为7 μm，并进行光刻曝光，形成第二图形层（A2），分别显影出：SU-8隔离层(111）、左SU-8梁（1211）、右SU-8梁（1212）、质量块支撑平台（114）；
（6）在步骤（5）所述图案上分别溅射铬/金金属层（9）；
（7）在金属层（9）上旋涂3.4 μm光刻胶（8），并对其进行光刻，显影出掩模版图形；
（8）将步骤（7）所述器件放入金刻蚀溶液中刻蚀8分钟，取出后进行水洗，并将其放入到铬刻蚀溶液中浸泡20秒，取出后，形成第三图形层（A3），包括：梳齿电容正电极（161），平板电容下电极（122），梳齿电容负电极（162），感测正电极（124），感测负电极（125）和接地电极（17）的电极图案；
（9）对步骤（8）所述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶（8）；
（10）在衬底层（6）上旋涂3.4 μm光刻胶（8），曝光显影出掩模版背向刻蚀图案，并放在恒温炉中烘烤，使光刻胶（8）硬化；
（11）对步骤（10）所述图案利用干法刻蚀技术刻蚀形成基座（4）；
（12）对步骤（11）所述器件进行湿法刻蚀，去除多余的二氧化硅层（7），释放器件，剩下的二氧化硅层（7）作为防串联沟槽（112）；
（13）利用显微镜，在步骤（5）所述器件的质量块支撑平台（114）上分别粘附不同尺寸硅质量块（2）并进行固化。
3.根据权利要求1所述的一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其特征在于：所述的硅质量块与极板间隙调节块，其制备方法步骤如下：
（a）在衬底层（6）上面沉积二氧化硅层（7）；
（b）在步骤（a）所述二氧化硅层（7）上面旋涂3.4 μm光刻胶（8）并进行光刻和显影，形成掩模版上的图案；
（c）利用湿法刻蚀技术去掉多余的二氧化硅层（7），形成多种尺寸矩形轮廓（18）；
（d）在衬底层（6）下面旋涂3.4 μm光刻胶（8），进行曝光和显影，形成同步骤（c）所形成的图案，并将其放在恒温炉中烘烤，使光刻胶（8）硬化；
（e）在光刻胶（8）掩蔽下利用干法刻蚀技术刻蚀步骤（d）所述图案，最终得到尺寸不一的矩形块层（A4），在矩形块层（A4）分别呈现硅质量块（2）与极板间隙调节块（31）。
4.根据权利要求1所述的一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其特征在于：所述的平板电容上电极支撑（3）制备方法，包括如下步骤：
A.SOI基板分为器件层（5）二氧化硅层（7）与衬底层（6），清洗基板去除表面杂质备用；
B.步骤A所述基板的器件层（5）上面旋涂3.4 μm厚的光刻胶（8），光刻曝光，并显影出掩模版图形；
C.在光刻胶（8）掩蔽下利用干法刻蚀技术刻蚀器件层（5），形成防串联的电极沟槽（34）结构，定位角（35）和支撑板（36）；
D.对步骤C所述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶（8）；
E.在步骤C形成的图案上分别溅射铬/金金属层（9）；
F.在步骤E所述金属层上旋涂3.4 μm厚的光刻胶（8），光刻曝光，并显影出掩模版图形；
G.将步骤F所述器件放入金刻蚀溶液中刻蚀8分钟，取出后进行水洗，并将其放入到铬刻蚀溶液中浸泡20秒，取出后形成平板电容上电极（32）并使防串联的电极沟槽（34)结构露出；
H.对步骤G所述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶（8）；
I.利用显微镜，将被极化的聚丙烯驻极体（33）薄膜利用导电胶与平板电容上电极（32）粘合；
J.利用显微镜，将极板间隙调节块（31）粘合在支撑板（36）上并进行固化。
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- 2021-11-23 CN CN202111392724.1A patent/CN114123861B/zh active Active
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