CN205070840U - 压电-摩擦电复合式mems宽频能量采集器 - Google Patents

Abstract

一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器，该采集器包括压电能量采集器主结构、阻挡块及垫片；压电能量采集器主结构包括硅固定基座、硅基压电悬臂梁及质量块；硅固定基座包括硅层及其两侧的二氧化硅层；硅基压电悬臂梁包括硅悬臂梁支撑层及其上的压电厚膜层；硅悬臂梁支撑层包括硅层、二氧化硅层及支撑层电极层；压电厚膜层包括压电厚膜及其表面的压电厚膜电极层；质量块包括集成硅质量块及其表面的摩擦层；阻挡块包括摩擦层基座、电极层及摩擦层；垫片位于硅固定基座和阻挡块之间。本实用新型使换能元件在低频振动环境下获得较大的输出功率，以解决传统的MEMS压电能量采集器输出功率低、频带窄等问题。

Description

压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器

技术领域

本实用新型属于微能源技术领域，具体涉及一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器。

背景技术

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,简称WSN）是由低成本、密集型、随机分布的集成有传感器、数据处理单元和短程无线通信模块的微小节点通过自组织方式构成的网络。借助节点中内置的形式多样的传感器对所在周边环境信号进行感知、采集和监测，最终对我们生活的物理世界实现全方位的监测与控制。低功耗、体积小的无线传感器节点是WSN的基本组成部分，通常由普通化学电池供电。但是，考虑到这些传感器自身携带的电池能量寿命有限且数量众多，并可能安装于某些人类难以接近的应用场景（如结构健康检测、医疗植入式器件等），使得定期更换电池、再次充电非常困难甚至无法实现。

目前，环境振动能量采集技术特别是压电式能量采集器是解决以上问题的有效方法之一。但是，现阶段国内外研制的微型振动能量采集器主要集中在单一转换机制，即设计的结构只基于一种俘能机理，这极大地限制了器件的能量采集转换效率，使其难以提供足够高的能量为无线传感器网络节点供电。因此，如何改善和提高器件的能量转换效率和输出性能是微型压电振动能量采集器得以实际应用的关键问题，也是目前研究和关注的热点。通过设计新颖的结构将压电和电磁、静电或其他形式的转换机制集成在一起同时进行复合式能量采集是提高振动能量转换效率的一种有效方法。然而，迄今为止关于复合式能量采集器方面的研究仍极为有限，这是因为把两种能量转换机制集成于同一器件将面临更大的挑战。这种器件含有更多的功能和结构层，如何实现各功能和结构层在制备过程中相互兼容是至关重要的问题。

经对现有技术文献的检索发现，BinYang，ChengkuoLee等在《JournalofMicro-NanolithographyMEMSandMOEMS》9（2010）撰文“Hybridenergyharvesterbasedonpiezoelectricandelectromagneticmechanisms”(“压电-电磁复合式能量采集器”《微纳米光刻MEMS和MOEMS期刊》)。该文中提及到的复合式能量采集器，压电机制和电磁机制最大输出功率分别为176μW和0.19μW，由于电磁和电容转换方式对耦合机制的贡献较少，能量采集的效率仍较低，且存在结构复杂、MEMS工艺制备困难等问题。XingzhaoWang等在《The28thIEEEInternationalConferenceonMicroElectroMechanicalSystems》（2015）撰文“FlexibletriboelectricandpiezoelectriccouplingnanogeneratorbasedonelectrospinningP(VDF-TRFE)Nanowires”(“基于静电纺丝P(VDF-TRFE)纳米线的柔性摩擦电-压电复合纳米能量采集器”《第28届微机电系统国际会议》)。文中采用柔性PVDF压电材料与摩擦微结构通过叠层组装工艺而成，PVDF较低的压电性能限制了器件的输出，而叠层组装工艺与MEMS工艺难以兼容，从而导致器件较大，实用性不强。

实用新型内容

本实用新型目的之一在于为解决现有技术的缺陷，提供了一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器，使换能元件在低频振动环境下获得较大的输出功率，以解决传统的MEMS压电能量采集器输出功率低、频带窄等问题。

本实用新型提供的一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器包括：压电能量采集器主结构、阻挡块及垫片；

所述压电能量采集器主结构包括：硅固定基座、第一硅基压电悬臂梁、第二硅基压电悬臂梁、第一质量块及第二质量块；

所述硅固定基座包括：第一硅层及位于所述第一硅层两侧的二氧化硅层；

所述第一硅基压电悬臂梁及第二硅基压电悬臂梁都包括：硅悬臂梁支撑层及附于所述硅悬臂梁支撑层上的压电厚膜层；所述硅悬臂梁支撑层包括第二硅层、所述第二硅层上、下表面的二氧化硅层及所述第二硅层上表面二氧化硅层上的支撑层电极层；所述压电厚膜层包括压电厚膜及所述压电厚厚膜表面的电极层；

所述第一质量块及第二质量块结构相同，包括：集成硅质量块及附于其表面的摩擦层；

所述阻挡块包括：摩擦层基座、电极层及摩擦层；

所述垫片位于所述硅固定基座和阻挡块之间。

进一步的，所述第一硅基压电悬臂梁中间开槽，所述第二硅基压电悬臂梁位于所述开槽内；所述第一硅基压电悬臂梁一端固定在所述硅固定基座上，且另一端为悬空的自由端并与所述第一质量块固定连接，所述第二硅基压电悬臂梁的固定端为所述第一硅基压电悬臂梁的自由端，且另一端悬空并与所述第二质量块固定连接。

进一步的，所述第一硅基压电悬臂梁及第二硅基压电悬臂梁形状为矩形或梯形。

进一步的，所述压电厚膜的材料为PZT陶瓷或PMNT压电单晶。

进一步的，所述压电厚膜电极层及支撑层电极层由Al、Ag、CrAu合金或TiPt合金其中的一种制成。

进一步的，所述压电厚膜层与硅悬臂梁支撑层通过粘贴胶层实现粘贴键合。

进一步的，所述粘贴胶层为导电环氧树脂。

进一步的，所述的阻挡块上的电极层由CrAu合金制成。

进一步的，所述质量块的摩擦层为表面附有CrAu合金电极层的SU8胶微柱或硅微坑结构，相应的阻挡块的摩擦层为PI膜或PDMS薄膜；或者，

质量块摩擦层为PI或PDMS薄膜，相应的阻挡块摩擦层为表面附有CrAu合金电极层的SU8胶微柱或硅微坑结构。

本实用新型还提供了一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器制备方法，包括如下步骤：

S1：利用键合和减薄技术在硅片上制备压电厚膜，并制作压电厚膜表面的压电厚膜电极层；

所述硅片是指上下表面双面抛光且表面热氧化一层二氧化硅的SOI硅片。

所述的利用键合和减薄技术制备压电厚膜的步骤，具体包括：将单面抛光的压电体材通过环氧键合技术与所述硅片结合，或在所述压电体材抛光面和所述硅片表面沉积一层电极层后，通过共晶键合技术将所述压电体材与所述硅片结合；然后通过机械研磨、抛光方法减薄压电体材，制备出厚度为10μm-30μm的压电厚膜；

所述制作压电厚膜上、下表面覆盖的压电厚膜电极层的具体步骤为：采用liftoff方法或先沉积后采用离子铣刻蚀图形化电极。

S2：利用微加工工艺加工压电能量采集器主结构的正面，所述微加工工艺包括：光刻、显影、湿法SiO2刻蚀、压电厚膜刻蚀及体硅加工。

S3：在所述压电能量采集器主结构的背部制备摩擦层，具体包括如下步骤：

先在所述压电能量采集器主结构的背部二氧化硅层上沉积一层电极层，然后在该电机层上面采用SU8胶工艺制备微柱摩擦层，并在微柱摩擦层上沉积一层电极层；

或者，采用机械切割并结合湿法硅刻蚀方法制备硅微坑结构并在该结构上沉积一层电极层；

或者，采用甩胶方法制备一层PDMS或PI膜；

S4：在所述压电能量采集器主结构的背部进行微加工，释放硅基压电悬臂梁，具体包括如下步骤：

先采用湿法腐蚀或干法刻蚀方法图形化背部电极层及二氧化硅，然后采用DRIE深硅刻蚀，以释放硅基压电悬臂梁。

S5：制备阻挡块结构，具体包括如下步骤：

采用溅射、甩胶方法在表面热氧化一层二氧化硅的普通硅基片上沉积一层电极层，然后在该电极层上制作一层PDMS或PI膜；

或者，采用SU8胶工艺制备微柱摩擦层并在其上面沉积一层电极层；

或者，采用机械切割并结合湿法硅刻蚀方法制备硅微坑结构并在其上面沉积一层电极层。

S6：组装器件，焊接电导线，极化压电片；

所述组装器件的步骤包括：采用环氧键合方法将所述压电能量采集器主结构通过垫片连接在阻挡块上。

本实用新型的有益效果在于，本实用新型采用新颖的工作机制即集成压电和摩擦两种换能方式的复合式振动能量采集器，解决传统单一换能方式存在能量采集效率低、输出功率小等问题；利用两自由度（模态）和碰撞式非线性两种方式同时拓宽器件的频带范围，突破单一频带拓宽方法的局限，实现振动能量的宽频带采集和转换；借助高性能压电厚膜制备、摩擦微结构图形化集成制造等关键技术和相关的MEMS技术将器件微型化、批量化的同时，提高和改善MEMS能量采集器的输出性能。本实用新型将从根本上克服现有微型振动能量采集器存在能量转换效率低、频带窄，输出性能无法满足实际应用的缺点，对于解决无线传感器网络节点的长期供能问题，实现自供能的微器件系统，并推进其广泛应用具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构侧面示意图；

图2是本实用新型实施例1的压电能量采集器主结构正面示意图；

图3为本实用新型实施例2的结构侧面示意图；

图4为本实用新型实施例2的压电能量采集器主结构正面示意图；

图中:1.硅层2.二氧化硅层3.压电厚膜4.第二硅层5.压电厚膜电极层6.粘贴胶层7.集成硅8.微柱摩擦结构9.摩擦结构电极层10.阻挡块电极层11.摩擦层基座12.阻挡块摩擦层13.垫片14.P1摩擦结构15.硅微坑摩擦层16.支撑层电极层。

具体实施方式

下文将结合具体实施例详细描述本实用新型。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

本实用新型提供的一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器包括压电能量采集器主结构、阻挡块及垫片(13)；

压电能量采集器主结构包括：硅固定基座、第一硅基压电悬臂梁、第二硅基压电悬臂梁、第一质量块及第二质量块；

硅固定基座包括：第一硅层(1)及其两侧的二氧化硅层(2)；

第一硅基压电悬臂梁及第二硅基压电悬臂梁都包括：硅悬臂梁支撑层及附于硅悬臂梁支撑层上的压电厚膜层；硅悬臂梁支撑层包括第二硅层(4)、第二硅层(4)上、下表面的二氧化硅层(2)及第二硅层(4)上表面的二氧化硅层(2)上的支撑层电极层(16)；压电厚膜层包括压电厚膜(3)及其表面的压电厚膜电极层(5)；

第一质量块及第二质量块结构相同，包括：集成硅质量块及附于其表面的摩擦层；

阻挡块包括：摩擦层基座(11)、电极层及摩擦层；

垫片(13)位于硅固定基座和阻挡块之间。

进一步的，第一硅基压电悬臂梁中间开槽，第二硅基压电悬臂梁位于开槽内；第一硅基压电悬臂梁一端固定在硅固定基座上，且另一端为悬空的自由端并与第一质量块固定连接，第二硅基压电悬臂梁的固定端为第一硅基压电悬臂梁的自由端，且另一端悬空并与第二质量块固定连接。

进一步的，第一硅基压电悬臂梁及第二硅基压电悬臂梁形状为矩形或梯形。

进一步的，压电厚膜(3)的材料为PZT陶瓷或PMNT压电单晶。

进一步的，压电厚膜电极层(5)及支撑层电极层(16)由Al、Ag、CrAu合金或TiPt合金其中的一种制成。

进一步的，压电厚膜层与硅悬臂梁支撑层通过粘贴胶层(6)实现粘贴键合。

进一步的，粘贴胶层(6)为导电环氧树脂。

进一步的，阻挡块上的电极层由CrAu合金制成。

进一步的，质量块上的摩擦层为表面附有CrAu合金电极层的SU8胶微柱或硅微坑结构，相应的阻挡块的摩擦层为PI膜或PDMS薄膜；或者，

质量块上的摩擦层为PI或PDMS薄膜，相应的阻挡块的摩擦层为表面附有CrAu合金电极层的SU8胶微柱或硅微坑结构。

本实用新型还提供了一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器制备方法，包括如下步骤：

S1：利用键合和减薄技术在硅片上制备压电厚膜层，并制作压电厚膜(3)表面的压电厚膜电极层(5)；

该硅片是指上下表面双面抛光且表面热氧化一层二氧化硅的SOI硅片。

利用键合和减薄技术制备压电厚膜层的步骤，具体包括：将单面抛光的压电体材通过环氧键合技术与硅片结合，或在压电体材抛光面和硅片表面沉积一层电极层后，通过共晶键合技术将压电体材与硅片结合；然后通过机械研磨、抛光方法减薄压电体材，制备出厚度为10μm-30μm的压电厚膜(3)；

制作压电厚膜(3)上、下表面的压电厚膜电极层(5)的具体步骤为：采用liftoff方法或先沉积后采用离子铣刻蚀图形化电极。

S2：利用微加工工艺加工压电能量采集器主结构的正面，微加工工艺包括：光刻、显影、湿法SiO2刻蚀、压电厚膜刻蚀及体硅加工。

S3：在压电能量采集器主结构的背部制备摩擦层，具体包括如下步骤：

先在压电能量采集器主结构的背部二氧化硅层(2)上沉积一层电极层，然后在电极层上面采用SU8胶工艺制备微柱摩擦层，并在微柱摩擦层上沉积一层CrAu合金电极层；

或者，采用机械切割并结合湿法硅刻蚀方法制备硅微坑结构并在该结构上沉积一层电极层；

或者，采用甩胶方法制备一层PDMS或PI膜；

S4：在压电能量采集器主结构的背部进行微加工，释放硅基压电悬臂梁，具体包括如下步骤：

先采用湿法腐蚀或干法刻蚀方法图形化背部电极层及二氧化硅，然后采用DRIE深硅刻蚀，以释放硅基压电悬臂梁。

S5：制备阻挡块结构，具体包括如下步骤：

采用溅射、甩胶方法在表面热氧化一层二氧化硅的普通硅基片上沉积一层电极层，然后在电极层上制作一层PDMS或PI膜；

或者，采用SU8胶工艺制备微柱摩擦层并在其上面沉积一层电极层；

或者，采用机械切割并结合湿法硅刻蚀方法制备硅微坑结构并在其上面沉积一层电极层。

S6：组装器件，焊接电导线，极化压电片；

组装器件的步骤包括：采用环氧键合方法将压电能量采集器主结构通过垫片(13)连接在阻挡块上。

实施例1

如图1所示，本实施例中压电-摩擦电复合式MEMS能量采集器包括压电能量采集器主结构、阻挡块及垫片；

压电能量采集器主结构包括：硅固定基座、2个硅基压电悬臂梁及2个质量块；

硅固定基座包括：硅片(1)及位于其两侧的二氧化硅层(2)；

压电主结构上的硅基压电悬臂梁包括：硅悬臂梁支撑层及附于硅悬臂梁支撑层上的压电厚膜层；硅悬臂梁支撑层包括第二硅层(4)、第二硅层(4)上、下表面的二氧化硅层(2)及第二硅层(4)上表面的二氧化硅层(2)上的支撑层电极层(16)；压电厚膜层包括压电厚膜(3)及其表面的压电厚膜电极层(5)；

压电厚膜层与硅悬臂梁支撑层通过粘贴胶层(6)粘贴键合；硅基压电悬臂梁形状为矩形，其正面图如图2所示。

质量块包括：集成硅质量块及微柱摩擦层；

集成硅质量块包括集成硅(7)及其表面的二氧化硅层(2)；微柱摩擦层包括微柱摩擦结构(8)及其表面的摩擦结构电极层(9)。

阻挡块包括：阻挡块电极层(10)、摩擦层基座(11)和阻挡块摩擦层(12)；阻挡块电极层(10)位于摩擦层基座(11)的上表面，阻挡块摩擦层(12)位于阻挡块电极层(10)的上表面。

压电厚膜为PZT厚膜，厚度为15μm。

压电厚膜上、下表面的压电厚膜电极层5及支撑层电极层(16)，是指厚度为0.20μm的Al薄膜层。

阻挡块电极层(10)及摩擦结构电极层(9)，是指厚度为0.15μm的CrAu合金薄膜层；

阻挡块摩擦层(12)是指厚度为50μm左右的PDMS膜；

垫片(13)位于硅固定基座和阻挡块间。

本实施例涉及的上述压电-摩擦电复合式MEMS能量采集器的制备方法，包括以下步骤：

Sa1：采用环氧键合和减薄方法制备厚度为15μm的PZT厚膜，即压电厚膜(3)，并在其上、下表面制作压电厚膜电极层(5)，从而完成压电厚膜层的制备。

压电厚膜(3)下表面覆盖的压电厚膜电极层(5)制备方法包括：在第二硅层(4)上表面的二氧化硅层(2)上甩正胶10μm，通过光刻、显影技术图形化光刻胶，然后在图形化的光刻胶表面上通过蒸镀沉积一层0.20μm的Al薄膜，然后采用liftoff工艺制备该压电厚膜电极层(5)；

环氧键合技术指：在上述步骤中制备好的压电厚膜电极层(5)上采用丝网印刷方法涂环氧导电胶，然后与厚度为300μm单面抛光好的PZT体材粘贴，在贴合的PZT上施加0.2Mpa的压力后放入真空烘箱进行加温固化。固化分为三个阶段，1、95℃温度下0.5小时；2、135℃温度下0.5小时；3、175℃温度下2.0小时；

减薄技术是指：将键合好的PZT依次采用颗粒为W28、W14、W7的金刚砂进行研磨，最后采用粒度为0.5μm的金刚石抛光膏进行抛光，减薄后的PZT厚度为15μm。

压电厚膜(3)上表面覆盖的压电厚膜电极层(5)制备方法包括：先在制备好的PZT厚膜层上甩正胶10μm，通过光刻、显影技术图形化光刻胶，然后在图形化的光刻胶表面上通过蒸镀沉积一层0.20μm的Al薄膜，然后采用liftoff工艺制备压电厚膜(3)上表面覆盖的压电厚膜电极层5。

Sa2：使用微加工工艺加工压电能量采集器主结构正面。

微加工工艺包括：通过光刻、显影等工艺，图形化PZT厚膜层，然后采用湿法刻蚀压电PZT厚膜层以暴露电极，刻蚀液成分和质量比为（40%的NH4F:HF=1:5）BHF:HCl:H2O=1:25:74。接着通过光刻、显影工艺，采用RIE干法刻蚀环氧树脂层，采用BHF溶液刻蚀第二硅层(4)上表面的二氧化硅层(2)，采用DRIE刻蚀硅第二硅层(4)至其下表面的二氧化硅层(2)。

Sa3：在压电能量采集器主结构背部采用SU8胶制备微柱摩擦层，并采用Cr/Au合金薄膜制作阻挡块上的摩擦结构电极层(9)。

SU8胶制备微柱摩擦层的制备方法包括：在制备好正面图形的压电能量采集器结构背部，溅射一层钛膜作为种子层，然后对钛膜进行氧化处理以改善基底与SU8胶的结合力，在钛膜上以600转/分钟的速度SU8-500光刻胶30秒，得到胶厚度约为500μm，光刻、显影得到圆形质量块空腔。

采用Cr/Au合金薄膜制作阻挡块上的摩擦结构电极层(9)方法，是指在制备好的微柱摩擦层上，采用磁控溅射方法沉积一层CrAu合金薄膜作为摩擦结构电极层(9)。

Sa4：对压电能量采集器主结构背部进行微加工，释放硅基压电悬臂梁。

压电能量采集器主结构背部微加工、释放悬臂梁方法，具体是：先采用离子铣刻蚀方法刻蚀摩擦结构电极层(9)，然后采用RIE刻蚀位于硅片(1)的下表面处的二氧化硅层(2)，接着采用DRIE进行深硅刻蚀，直至刻至位于第二硅层(4)下表面的二氧化硅层(2)，最后采用RIE刻蚀位于第二硅层(4)下表面处的二氧化硅层(2)，释放悬臂梁。

Sa5：制备表面附有PDMS膜的阻挡块。

制备表面附有PDMS膜摩擦层的阻挡块的方法，具体是：采用普通硅基片作为摩擦层基座(11)，先在其表面溅射一层阻挡块电极层(10)，最后在阻挡块电极层(10)上通过甩胶、烘干等工艺制作一层PDMS膜作为阻挡块摩擦层(12)，完成阻挡块结构的制作。

Sa6：组装器件，焊接电导线，极化压电厚膜(3)。

组装器件的方法包括：通过丝网印刷法将厚度小于2μm的环氧树脂胶涂在硅固定基座和相应的阻挡块的摩擦层基座(11)上，选择合适厚度的硅片作为垫片(13)，利用晶片键合技术将制备好的能量采集器主结构和阻挡块结构组装在一起，并在50℃温度下固化1小时，随后在100℃温度下固化3小时。

极化压电厚膜(3)，具体步骤包括：在引出的电导线两端加60V直流电压，保持30分钟。

实施例2

如图3所示，本实施例提供的一种压电-摩擦电复合式MEMS能量采集器包括：压电能量采集器主结构、阻挡块和垫片。

压电能量采集器主结构包括：硅固定基座、2个硅基压电悬臂梁及2个质量块；

硅固定基座包括：硅片(1)及其两侧的二氧化硅层(2)；

压电主结构上的硅基压电悬臂梁包括：硅悬臂梁支撑层及附于硅悬臂梁支撑层上的压电厚膜层；硅悬臂梁支撑层包括第二硅层(4)、第二硅层(4)上、下表面的二氧化硅层(2)及第二硅层(4)上表面的二氧化硅层(2)上的支撑层电极层(16)；压电厚膜层包括压电厚膜(3)及其表面的压电厚膜电极层(5)；

压电厚膜层与硅悬臂梁支撑层通过粘贴胶层(6)粘贴键合；硅基压电悬臂梁形状为梯形，其正面图如图4所示。

质量块包括：集成硅质量块及PI摩擦层；集成硅质量块包括集成硅(7)及其表面的二氧化硅层(2)，PI摩擦层包括PI摩擦结构(14)及其摩擦结构电极层(9)；

阻挡块包括：摩擦层基座(11)、附于摩擦层基座(11)表面的二氧化硅层(2)、硅微坑摩擦层(15)和摩擦结构电极层(9)；该摩擦结构电极层(9)位于摩擦层基座(11)上表面的二氧化硅层(2)上，硅微坑摩擦层(15)呈锯齿状嵌入摩擦层基座(11)的上表面内。

垫片13位于硅固定基座和阻挡块间。

压电厚膜是指PZT厚膜，厚度为20μm；

压电厚膜压电厚膜电极层(5)及支撑层电极层(16)是指厚度为0.15μm的CrAu合金薄膜层；

摩擦结构电极层(9)是指厚度为0.15μm的CrAu合金薄膜层；

PI摩擦结构(14)是指厚度为30μm左右的PI膜；

本实施例涉及的一种压电-摩擦电复合式MEMS能量采集器的制备方法，包括以下步骤：

Sb1：采用环氧键合和减薄方法制备厚度为20μm的PZT厚膜层作为压电厚膜层，并制作压电厚膜(3)上、下表面的压电厚膜电极层(5)，完成压电厚膜层的制作。

压电厚膜(3)下表面的压电厚膜电极层(5)的制备方法包括：在第二硅层(4)上表面的二氧化硅层(2)上甩正胶10μm，通过光刻、显影技术图形化光刻胶，然后在图形化的光刻胶表面上通过蒸镀沉积一层0.15μm的CrAu合金薄膜，然后采用liftoff工艺制备压电厚膜(3)下表面的压电厚膜电极层(5)；

环氧键合技术，具体是：在制备好的压电厚膜(3)下表面的压电厚膜电极层(5)上采用丝网印刷方法涂环氧导电胶，然后与厚度为400μm单面抛光好的PZT体材粘贴，在贴合的PZT上施加0.2Mpa的压力后放入真空烘箱进行加温固化。固化分为三个阶段，1、95℃温度下0.5小时；2、135℃温度下0.5小时；3、175℃温度下2.0小时。

减薄技术，具体步骤包括：将键合好的厚度为400μm的PZT，依次采用颗粒为W28、W14、W7的金刚砂进行研磨，最后采用粒度为0.5μm的金刚石抛光膏进行抛光，减薄后的PZT厚度层为20μm。

压电厚膜(3)上表面的压电厚膜电极层(5)的制备方法，具体是：先在制备好的压电厚膜(3)上甩正胶10μm，通过光刻、显影技术图形化光刻胶，然后在图形化的光刻胶表面上通过蒸镀沉积一层0.15μm的CrAu合金薄膜，然后采用liftoff工艺制备压电厚膜(3)上表面的压电厚膜电极层(5)。

Sb2：使用微加工工艺加工压电能量采集器主结构正面。

微加工工艺，具体是：通过光刻、显影等工艺，图形化压电PZT厚膜，然后采用湿法刻蚀压电PZT厚膜层以暴露电极，刻蚀液成分和质量比为（40%的NH4F:HF=1:5）BHF:HCl:H2O=1:25:74。接着通过光刻、显影工艺，采用RIE干法刻蚀环氧树脂层，采用BHF溶液刻蚀位于第二硅层(4)上表面的二氧化硅层(2)，采用DRIE刻蚀第二硅层(4)至位于其下表面的二氧化硅层(2)。

Sb3：在压电能量采集器主结构背部制备厚为30μm左右的PI摩擦层(14)及其上的摩擦结构电极层(9)。

背部制备PI摩擦层(14)及其上的摩擦结构电极层(9)的方法，是指在制备好正面图形的压电能量采集器结构背部，先溅射一层厚度为0.15μm的CrAu合金薄膜作为摩擦结构电极层(9)并图形化，然后采用旋涂方法制备30μm的PI膜作为PI摩擦层(14)，并采用光刻、显影方法图形化PI膜。

Sb4：压电能量采集器主结构背部微加工、释放悬臂梁。

压电能量采集器主结构背部微加工、释放悬臂梁方法，具体是：先用离子铣刻蚀方法刻蚀PI摩擦层(14)上的摩擦结构电极层(9)，然后采用RIE刻蚀二氧化硅层(8)，接着采用DRIE进行深硅刻蚀，直至刻至第二硅层(4)下表面的二氧化硅层(2)，最后采用RIE刻蚀第二硅层(4)下表面的二氧化硅层(2)，释放悬臂梁。

Sb5：制备表面具有硅微坑结构的阻挡块。

制备表面具有硅微坑结构的阻挡块方法，具体步骤包括：采用普通硅基片最为摩擦层基座(13)，先在其表面热氧化一层二氧化硅层(2)，先采用切割工艺切割出微方块，再用湿法刻蚀方法刻蚀出微坑形成硅微坑摩擦层(15)，然后在硅微坑摩擦层(15)表面溅射一层CrAu合金薄膜作为摩擦结构电极层(9)，完成阻挡块结构的制作。

Sb6：组装器件，焊接电导线，极化压电厚膜(3)。

组装器件步骤包括：通过丝网印刷法将厚度小于2μm的环氧树脂胶涂在硅固定基座和相应的阻挡块的摩擦层基座(11)上，选择合适厚度的硅片作为垫片(13)，利用晶片键合技术将制备好的能量采集器主结构和阻挡块结构进行整体组装，并在50℃温度下固化1小时，随后在100℃温度下固化3小时。

极化压电厚膜(3)具体是：在引出的电导线两端，加直流电压80V，保持30分钟。

本实用新型制备的压电-摩擦电复合式MEMS能量采集器，能有效提高器件的输出特性，具有转换效率高、运行频带宽等特点，较一般的压电能量采集器，其转换效率可提高40%以上，频宽提高30%以上，可有效地克服MEMS能量采集器输出功率较低、运行频带窄的问题。

本文虽然已经给出了本实用新型的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本实用新型精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本实用新型权利范围的限定。

Claims (5)

1.一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器，其特征在于，包括压电能量采集器主结构、阻挡块及垫片；

所述压电能量采集器主结构包括：硅固定基座、第一硅基压电悬臂梁、第二硅基压电悬臂梁、第一质量块及第二质量块；

所述硅固定基座包括：第一硅层及位于所述第一硅层两侧的二氧化硅层；

所述第一硅基压电悬臂梁及第二硅基压电悬臂梁都包括：硅悬臂梁支撑层及附于所述硅悬臂梁支撑层上的压电厚膜层；所述硅悬臂梁支撑层包括第二硅层、所述第二硅层上、下表面的二氧化硅层及所述第二硅层上表面二氧化硅层上的支撑层电极层；所述压电厚膜层包括压电厚膜及所述压电厚膜表面的电极层；

所述第一质量块及第二质量块结构相同，包括：集成硅质量块及附于其表面的摩擦层；

所述阻挡块包括：摩擦层基座、电极层及摩擦层；

所述垫片位于所述硅固定基座和阻挡块之间。

2.如权利要求1所述的一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器，其特征在于，

所述第一硅基压电悬臂梁中间开槽，所述第二硅基压电悬臂梁位于所述开槽内；所述第一硅基压电悬臂梁一端固定在所述硅固定基座上，且另一端为悬空的自由端并与所述第一质量块固定连接，所述第二硅基压电悬臂梁的固定端为所述第一硅基压电悬臂梁的自由端，且另一端悬空并与所述第二质量块固定连接。

3.如权利要求1所述的一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器，其特征在于，所述第一硅基压电悬臂梁及第二硅基压电悬臂梁形状为矩形或梯形。

4.如权利要求1所述的一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器，其特征在于，所述压电厚膜层与硅悬臂梁支撑层通过粘贴胶层实现粘贴键合。

5.如权利要求1所述的一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器，其特征在于，所述质量块的摩擦层为表面附有CrAu合金电极层的SU8胶微柱或硅微坑结构，相应的阻挡块的摩擦层为PI膜或PDMS薄膜；或者，

质量块摩擦层为PI或PDMS薄膜，相应的阻挡块摩擦层为表面附有CrAu合金电极层的SU8胶微柱或硅微坑结构。