WO2016207458A1 - Sistema y dispositivo de recolección de energía piezoeléctrico - Google Patents

Sistema y dispositivo de recolección de energía piezoeléctrico Download PDF

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WO2016207458A1
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zno
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layer
capacitor
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Gonzalo MURILLO RODRIGUEZ
Jaume Esteve Tinto
Jorge Sacristan Riquelme
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Consejo Superior De Investigaciones Cientificas
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Definitions

  • the present invention belongs to the field of electronics and, more specifically, to nanometer-scale piezoelectric devices for collecting mechanical energy.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • ZnO nanowires have been used as a piezoelectric material, because they can be grown economically and easily by a hydrothermal method.
  • the main application has been the collection of energy and sensors, but the devices have been mainly bulky macroscopic devices dedicated to generating the greatest possible power.
  • MEMS technology has not been used to successfully combine these nanostructures with mobile devices on a micrometric scale to select the small energy niche offered by environmental vibrations.
  • Document US20050134149A1 proposes a piezoelectric vibration collection device having a plate stack structure with a mass test over. This proposal is different from the present invention, in addition to its arrangement, because the proposed invention uses ZnO nanostructures as the main piezoelectric material instead of thin films. In addition, the devices according to the invention can integrate diodes and capacitors monolithically.
  • the invention is dedicated to developing a family of silicon-compatible piezoelectric nanostructured devices with integrated buffer and rectification charge storage capacitor that can collect energy from mechanical movements.
  • a piezoelectric energy collection device comprises an anchored part, an inertial mass and a flexible mobile structure.
  • the flexible structure comprises a piezoelectric layer with a plurality of nanostructures.
  • a capacitor is formed between a lower electrode of a highly doped region and an upper electrode of a metal layer and a diode is formed between said metal layer and a slightly doped region in the anchored part, the diode is in series with the capacitor.
  • the flexible structure is a cantilever beam between the anchored part and the inertial mass, however other mobile structures are possible.
  • a beam fastened at both ends a coil suspension, a membrane or other elastic element that can play the role of spring or spring.
  • the cantilever beam is designed to bend causing the piezoelectric nanostructures to generate a current induced by piezoelectric potential rectified by the diode and stored by the capacitor.
  • a seed layer is formed comprising Au under the piezoelectric layer constituted by ZnO to grow nanowires as nanostructures.
  • the length of the nanowires is from 100 nm to 10 ⁇ .
  • a seed layer comprising AIN is formed under the piezoelectric layer consisting of ZnO to grow nanolines as nanostructures.
  • the diameter of the nanollamines ranges between 100 nm and 10 ⁇ .
  • the capacitor electrodes extend from the cantilever beam to the anchored part but, preferably, can be extended to cover the entire available chip surface to maximize the capacitance value.
  • the substrate material is crystalline silicon of type n.
  • the substrate material is crystalline silicon of type p.
  • an energy collection system comprises an array of piezoelectric energy collection devices, in which adjacent devices are stacked leaving a gap between them for the movement of the inertial mass.
  • the energy collection devices are combined in series.
  • the energy collection devices are combined in parallel.
  • a new approach is proposed to produce piezoelectric MEMS energy collection devices, also called MEMS collectors.
  • the proposed devices are based on nanowires (NW) and nanollamines (NS) as piezoelectric material with a diode and capacitor integrated in a monolithic way in a silicon compatible technology.
  • ZnO is chosen as a low cost solution to grow NW and NS by a hydrothermal method.
  • ZnO also provides greater supported voltage, enhanced flexibility and reduced manufacturing cost. At the same time, it is much easier to integrate with silicon than other approaches based on nanostructures. The device allows an out-of-plane movement when mechanically excited.
  • the proposed energy collection device contains a monolithic integrated Schottky diode and capacitor in addition to the piezoelectric nanogenerator, which allows for buffer storage and signal rectification in situ.
  • Figure 1 Functional device configuration.
  • (Left) A cantilever structure for out-of-plane mechanical movements, with the two different ZnO nanostructures for the piezoelectric transduction: nanowires (right-bottom) and nanollamines (right-top)
  • Figure 2 Several views of ZnO nanowires.
  • Figure 2a is a global view.
  • Figure 2b is a detailed view.
  • Figure 2c shows a top view of nanolines.
  • Figure 2d shows an inclined view.
  • Figure 3 is a scanning electron microscopy (SEM) image of NW of
  • Figure 4 is an X-ray diffraction (XRD) measurement of ZnO nanollamines that are grown on an AIN seed layer.
  • XRD X-ray diffraction
  • Figure 5 is a cross section of the final device constructed on an SOI substrate.
  • one of the objectives of this invention is to make the energy collection device robust enough that it can function reliably under the conditions imposed.
  • piezoelectric nanostructures also generally known as nanogenerators (NG) are adopted instead of thin films.
  • the approach takes advantage of ZnO as a transduction material to convert the mechanical energy from the input accelerations present in the environment to two different cases.
  • Two types of ZnO nanostructures will be integrated to obtain usable devices: nanowires (NW) and nanollamines (NS). Both NW and NS can be generated by sharing virtually the same manufacturing process:
  • NW and NS can be generated by sharing virtually the same manufacturing process:
  • Figure 1 shows the configuration of one of the end devices.
  • the common configuration of the different design versions is based on a cantilever architecture, because today's silicon-based piezoelectric collection devices show the best performance with a mass-spring system.
  • other suspensions may be used, such as beams attached at both ends, coil bending, membranes or other elastic elements instead of the cantilever beam.
  • An inertial mass 11 is connected through a cantilever beam 16 to the rest of the chip 13. Above this overhang is a piezoelectric layer 15 composed of ZnO nanostructures. Integrated monolithically in the same chip 13, there is a Schottky diode 12 and a capacitor 14.
  • Collection devices can be combined to produce a matrix according to a series or parallel combination thereof. Depending on this electrical combination, an increase in current or output voltage levels will be obtained for series and parallel combinations, respectively. In order to physically combine the devices, they can be stacked leaving enough space between them for the resonant movement of the inertial mass.
  • the spring is constructed by means of microstructured silicon beams on the SOI device layer and is covered by the different piezoelectric material that plays the role of mechanical spring and transducer.
  • the inertial mass 11 is created by etching the upper and lower silicon layer of the SOI wafer (silicon on insulator) by RIE (ionic etching reagent) and DRIE (deep reactive ionic etching), respectively.
  • RIE ionic etching reagent
  • DRIE deep reactive ionic etching
  • SOI wafer facilitates the definition of cantilever beam 16 and inertial mass 11.
  • This wafer will be of type n in order to integrate a Schottky diode 12 and a capacitor 14 together with the mobile structure.
  • the diode 12 will have the role of rectifying, with little loss, the AC signal generated by the NGs that at the same time will be grown just above the large surface of the capacitor 14 to save space.
  • This configuration creates a network of a diode 12, piezoelectric AC layer 15 as a generator and a capacitor 14 in series, therefore for each mechanical stimulation on the NG, negative charges will be stored in the capacitor 14. Due to the rectification in situ, Different designs with different sizes can be connected to each other and the voltage output will always be added. For example, longer overhangs 13 and / or larger inertial masses 11 will result in lower resonance frequencies and thicker beams and / or stiffer materials will increase the resonance frequencies.
  • These devices use an SOI wafer as the main structural part.
  • the substrate is chosen in order to facilitate the definitions of the inertial mass and the beam.
  • two different piezoelectric materials are used:
  • AIN This piezoelectric material has been used for several years to manufacture FBAR (film volume sound wave resonator) and energy collectors. AIN is used as a seed layer to grow NS of ZnO that will adapt to a functional nanostructured piezoelectric layer. AIN is processed by RF sputtering on a thin layer of Ti / Pt that gives a good crystalline orientation. Thin layers of less than 100 nm can be deposited and the XRD analysis of Figure 4 shows that the crystalline structure and orientation are stable. The final thickness used in this type of devices can be between 10 nm and 1 um.
  • ZnO This piezoelectric and semiconductor material will be used to grow nanostructures, specifically on nanowires (NW) and nanolamines (NS) of piezoelectric ZnO.
  • NW nanowires
  • NS nanolamines
  • NG of ZnO has been used for energy collection.
  • These nanostructures have the advantages of being more flexible, less sensitive to breakage, and can act on them more easily than thin films.
  • the growth method is based on a low temperature hydrothermal chemical reaction ( ⁇ 80 ° C) directly on the silicon substrate covered by a seed layer. This method of growth is especially fast, Easy, economical and fully compatible with silicon-based microelectronic technologies at the wafer level.
  • Figure 2 shows the two types of ZnO nanostructures that will be used to make the devices.
  • a thin layer of AIN is used (the thickness may be less than ⁇ 100 nm) as the seed layer, anti-shielding barrier and additional piezoelectric material.
  • the thin layer of AIN should not affect the mechanical properties of the device because the tension created decreases with the thickness.
  • the growth method for NS of ZnO is the same as for NW, but a different seed layer is used that totally affects the shape of the nanostructure that is grown. The main point that makes this nanostructure a promising solution for NG is the high uniformity, reproducibility and rapidity of NS growth.
  • Figure 3 shows the result of an electron diffraction in the selected area (SAED) generated in a TEM of a single layer of NS in which a high crystallinity of the material can be observed. It can also be seen in Figure 3 that the direction of growth is perpendicular to the c axis, unlike a typical NW of ZnO that grows along the c axis. In the case of NS, a preferable growth plane (0001) can be observed at the expense of the inhibition of the growth plane ⁇ 1010 ⁇ , which is completely reversed in the case of NW.
  • the hexagonal size of the ZnO crystals typical of a crystalline wurtzite network, is clear. The hexagonal crystal can have a diameter of more than 1-5 ⁇ and a thickness of less than 20 nm which means an enormous aspect ratio greater than 100.
  • a capacitor and a diode will be integrated together with the energy collection device in order to have a compact system that can obtain a DC (Continuous Current) voltage from a variable input acceleration.
  • the manufacturing process is aimed at being compatible with low demanding CMOS technologies. Below are the stages of the process that must be followed to carry out the technological manufacturing, including seven photolithographic stages:
  • n + is performed in selected areas of the SOI device layer doped with n by a protective oxide that was grown earlier. This implantation will define the ohmic contact with silicon and the lower electrode of the capacitor.
  • a field oxidation of 1060 nm is carried out in order to passivate the different devices.
  • RIE reactive ionic etching
  • wet etching this oxide can be selectively removed to define active regions. (Mask of active areas)
  • a Cr / Ni / Au multilayer will be sprayed to create the capacitor's upper electrode, the metal-semiconductor contact surface of the Schottky diode and the metal contacts.
  • the capacitor electrode can be designed to cover the entire surface of the available chip to maximize its load capacity which is a great improvement compared to prior art devices.
  • the last exposed Au layer will also be used as a seed layer to grow NW of ZnO.
  • a Ti / Pt layer will be deposited followed by a 100 nm AIN layer by RF sputtering to generate the seed layer for these nanostructures.
  • ZnO nanowires and nanowires will be grown by a hydrothermal process on the respective seed layers deposited on the upper electrode of the condenser, which makes this device unique.
  • a polymer layer for example PMMA, PDMS or SU8 will be coated by centrifugation (Spin-coating) on the surface and revealed to embed NW / NS to avoid short circuits between NG electrodes, if necessary.
  • Metal mask 2). 1 1.
  • the contour of the mobile structures on the device side (front RIE mask) is photolithographed and the layer of the SOI device is recorded using RIE.
  • DRIE rear mask On the back side, aluminum is deposited, photolithographed and recorded to create a hard DRIE mask. (DRIE rear mask).
  • the SOI handling wafer is completely etched to the buried oxide by DRIE. Before performing this stage, a resistant protective layer is coated on the front side.
  • the final device is a piezoelectric cantilever beam loaded on the detached tip with integrated capacitor and diode as shown in Figure 5.
  • This integration allows to reduce power losses and facilitates the combination of several generators without the need to control the differences in phase of the generated piezoelectric potentials (that is, no synchronization of resonant movements is necessary).
  • the density of NW will be ⁇ 4 NW / ⁇ 2 . If each NW takes an active part in the load generation, and from a value of 4 pW / NW measured when a NW is curved by an AFM tip [4], a generated power of ⁇ 1, 6 mW / can be estimated. cm 2 However, in the present case the mechanical stimulation will be produced by the compression of the NW matrices derived from the bending of the beam and a typical transduction surface of 1 mm 2 .
  • a power output of 1.45 mW / cm 2 (for a transduction area of ⁇ 4 mm 2 ) has been reported for a structure similar to that placed above the integrated condenser for pressure levels similar to those achieved with the curved cantilever beam.
  • a target output power of 500 ⁇ W / cm 2 is a reasonable value.
  • NS previous data are not available, but comparable power densities are expected due to the dimensions and configuration of similar crystals of both NW and NS. From previous results, obtained using similar structures but with a thin film approach, a lower limit value can be estimated for the present prototypes.
  • the dimensions of the final devices will be 0.5x0.5x0.05 cm 3 , and will be based on a type n SOI wafer.
  • a glass or silicon frame or support is expected to be used to allow the inertial mass to move up and down. This support frame can increase the thickness of the final device by 0.05 cm.

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Abstract

Se da a conocer un dispositivo de recolección de energía mecánica piezoeléctrico. El dispositivo se acciona mediante energía mecánica disponible en el entorno. El dispositivo es un sistema piezoeléctrico de recopilación de energía formado poruña microviga en voladizo, basado en nanoestructuras de ZnO e integrado monolíticamente con diodos Schottky y un condensador que cubre enteramente el chip. Se usará ZnO de dos formas diferentes: nanohilos (NW) y nanoláminas (NS). Estas nanoestructuras se harán crecer mediante un proceso hidrotérmico compatible con silicio y usando parte del electrodo de condensador superior como capa semilla. Se propone un flujo de proceso etapa por etapa para la integración monolítica en un mismo dispositivo. Esta integración permitirá una reducción de las pérdidas de potencia y facilitará la combinación de varios generadores sin preocupaciones sobre la polaridad del estrés mecánico o de la carga eléctrica.

Description

SISTEMA Y DISPOSITIVO DE RECOLECCIÓN DE ENERGÍA PIEZOELÉCTRICO
DESCRIPCIÓN
Campo de invención
La presente invención pertenece al campo de la electrónica y, más específicamente, a dispositivos piezoeléctricos a escala nanométrica para recolectar energía mecánica.
Estado de la técnica
Existe una necesidad de generadores eléctricos que puedan proporcionar potencia con alta resistencia a impactos y factor de calidad.
Los dispositivos de MEMS anteriores (MEMS significa sistemas microelectromecánicos) usan película delgada de AIN convencional y tienen las desventajas de tener una tensión de rotura crítica limitada y una rigidez significativa que hacen que no sean óptimos para aplicaciones de vibraciones ambientales. Además, hasta ahora, requieren circuitos de gestión de potencia y control externos que hacen difícil su integración y fabricación a gran escala.
Recientemente se ha propuesto un enfoque basado en nanofibras piezoeléctricas. No obstante, este dispositivo anterior tiene varias desventajas: baja densidad superficial de fibras, baja capacidad de integración, difícil de obtener un gran número de fibras alineadas, contaminación del sustrato debido a nitración/oxidación de fibras. Además, requiere un complejo desarrollo tecnológico (electrohilado). Además, este dispositivo es menos compatible con tecnologías de silicio de VLSI (integración a muy gran escala).
En los últimos años se han estado usando nanohilos de ZnO como material piezoeléctrico, porque pueden hacerse crecer de manera económica y fácil mediante un método hidrotérmico. La principal aplicación ha sido la recolección de energía y sensores, pero los dispositivos han sido principalmente dispositivos macroscópicos voluminosos dedicados a generar la mayor potencia posible. Sin embargo, la tecnología de MEMS no se ha aprovechado para combinar satisfactoriamente estas nanoestructuras con dispositivos móviles a escala micrométrica para seleccionar como objetivo el pequeño nicho de energía que ofrecen las vibraciones ambientales.
El documento US20050134149A1 propone un dispositivo de recolección de vibraciones piezoeléctrico que tiene una estructura de pila de platillos con una masa de prueba encima. Esta propuesta es diferente de la presente invención, además de por su disposición, porque la invención propuesta usa nanoestructuras de ZnO como material piezoeléctrico principal en lugar de películas delgadas. Además, los dispositivos según la invención pueden integrar de manera monolítica diodos y condensadores.
Breve descripción de la invención
La invención se dedica a desarrollar una familia de dispositivos nanoestructurados piezoeléctricos compatibles con silicio con condensador de almacenamiento de carga de amortiguación y rectificación integrado que puede recolectar energía a partir de movimientos mecánicos.
Según la invención, un dispositivo de recolección de energía piezoeléctrico comprende una parte anclada, una masa inercial y una estructura flexible móvil. La estructura flexible comprende una capa piezoeléctrica con una pluralidad de nanoestructuras. Un condensador está formado entre un electrodo inferior de una región altamente dopada y un electrodo superior de una capa metálica y un diodo está formado entre dicha capa metálica y una región ligeramente dopada en la parte anclada, el diodo está en serie con el condensador.
Preferiblemente, la estructura flexible es una viga en voladizo entre la parte anclada y la masa inercial, sin embargo otras estructuras móviles son posibles. Por ejemplo, una viga sujeta en ambos extremos, una suspensión en serpentín, una membrana u otro elemento elástico que puede desempeñar el papel de muelle o resorte.
La viga en voladizo está diseñada para curvarse provocando así que las nanoestructuras piezoeléctricas generen una corriente inducida por potencial piezoeléctrico rectificada por el diodo y almacenada por el condensador.
Preferiblemente, se forma una capa semilla que comprende Au bajo la capa piezoeléctrica constituida por ZnO para hacer crecer nanohilos como nanoestructuras. Preferiblemente, la longitud de los nanohilos es de desde 100 nm hasta 10 μηι.
Alternativamente, se forma una capa semilla que comprende AIN bajo la capa piezoeléctrica constituida por ZnO para hacer crecer nanoláminas como nanoestructuras. Preferiblemente, el diámetro de las nanoláminas oscila entre 100 nm y 10 μηι.
Los electrodos del condensador se extienden desde la viga en voladizo hasta la parte anclada pero, preferiblemente, pueden extenderse para cubrir toda la superficie de chip disponible para maximizar el valor de la capacitancia. Preferiblemente, el material de sustrato es silicio cristalino de tipo n.
Alternativamente, el material de sustrato es silicio cristalino de tipo p.
Según la invención, también se propone un sistema de recolección de energía. El sistema comprende una matriz de dispositivos de recolección de energía piezoeléctricos, en el que dispositivos adyacentes están apilados dejando un hueco entre los mismos para el movimiento de la masa inercial.
Preferiblemente, los dispositivos de recolección de energía se combinan en serie. Alternativamente, los dispositivos de recolección de energía se combinan en paralelo.
En resumen, se propone un nuevo enfoque para producir dispositivos de recopilación de energía de MEMS piezoeléctricos, también denominados colectores de MEMS. Los dispositivos propuestos se basan en nanohilos (NW) y nanoláminas (NS) como material piezoeléctrico con un diodo y condensador integrados de manera monolítica en una tecnología compatible con silicio.
En algunas realizaciones se elige ZnO como solución de bajo coste para hacer crecer NW y NS mediante un método hidrotérmico. ZnO también proporciona una mayor tensión soportada, flexibilidad potenciada y coste de fabricación reducido. Al mismo tiempo, es mucho más fácil de integrar con silicio que otros enfoques basados en nanoestructuras. El dispositivo permite un movimiento fuera del plano cuando se excita mecánicamente.
El dispositivo de recolección de energía propuesto contiene un diodo Schottky y condensador integrados de manera monolítica además del nanogenerador piezoeléctrico lo que permite un almacenamiento de carga de amortiguación y rectificación de señal in situ.
De manera positiva, pueden combinarse varios dispositivos de recolección de energía para maximizar la potencia extraída sin preocuparse por las fases de las señales de CA (Corriente Alterna) a la salida. La compensación entre el tamaño y el número de dispositivos de recolección de energía muestra que varios dispositivos más pequeños dirigidos a diferentes frecuencias de resonancia pueden obtener una mayor densidad de potencia generada que una única unidad más grande con el mismo tamaño global. La invención tiene ventajas adicionales: una flexibilidad global superior y menor riesgo de roturas, mejor rendimiento y almacenamiento y rectificación integrados. Esta combinación de producción de potencia con fiabilidad mejora los dispositivos del estado de la técnica conocidos.
Estos y otros aspectos de la invención resultarán evidentes a partir de los dibujos y las realizaciones a modo de ejemplo. Breve descripción de los dibujos
A continuación se describe muy brevemente una serie de dibujos que ayudan a entender mejor la invención y que están expresamente relacionados con realizaciones de dicha invención, presentadas como ejemplo no limitativo de la misma.
Figura 1 : Configuración de dispositivo funcional. (Izquierda) Una estructura en voladizo para movimientos mecánicos fuera del plano, con las dos nanoestructuras de ZnO diferentes para la transduccion piezoeléctrica: nanohilos (derecha-parte inferior) y nanoláminas (derecha-parte superior)
Figura 2: Varias vistas de nanohilos de ZnO. La figura 2a es una vista global. La figura 2b es una vista detallada. La figura 2c muestra una vista desde arriba de nanoláminas. La figura 2d muestra una vista inclinada.
La figura 3 es una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de NW de
ZnO que se hacen crecer sobre Au (izquierda) y nanoláminas de ZnO hexagonales que se hacen crecer sobre una capa de AIN (centro) y una imagen de difracción de electrones en el área seleccionada (SAED) correspondiente a una única nanolámina de ZnO generada mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM).
La figura 4 es una medición por difracción de rayos X (XRD) de nanoláminas de ZnO que se hacen crecer sobre una capa semilla de AIN.
La figura 5 es una sección transversal del dispositivo final construido sobre un sustrato de SOI.
Descripción detallada Se comentarán varias realizaciones para entender mejor la invención.
Tal como se indicó anteriormente, uno de los objetivos de esta invención es hacer que el dispositivo de recopilación de energía sea lo suficientemente robusto, que pueda funcionar de una manera fiable en las condiciones impuestas. Con este fin, se adoptan nanoestructuras piezoeléctricas, también conocidas en general como nanogeneradores (NG), en lugar de películas delgadas.
El enfoque aprovecha ZnO como material de transduccion para convertir la energía mecánica procedente de las aceleraciones de entrada presentes en el entorno para dos casos diferentes. Se integrarán dos tipos de nanoestructuras de ZnO para obtener dispositivos utilizables: nanohilos (NW) y nanoláminas (NS). Tanto los NW como las NS pueden generarse compartiendo prácticamente el mismo proceso de fabricación: Estas nanoestructuras de ZnO tienen las particularidades de usar:
- toda la superficie del chip para fabricar el condensador de almacenamiento,
- el electrodo superior de este condensador como capa semilla para hacer crecer las nanoestructuras de ZnO encima del voladizo que va a curvarse, y
- una pequeña región de chipde silicio sin dopar para integrar de manera monolítica diodos de Schottky. Disposición del dispositivo
La figura 1 muestra la configuración de uno de los dispositivos finales. La configuración común de las diferentes versiones de diseño se basa en una arquitectura en voladizo, porque los dispositivos de recopilación piezoeléctricos basados en silicio actuales muestran el mejor rendimiento con un sistema de masa- muelle. Sin embargo, pueden usarse otras suspensiones, tales como vigas sujetas en ambos extremos, flexiones en serpentín, membranas u otros elementos elásticos en lugar de la viga en voladizo.
Una masa 11 inercial está conectada a través de una viga 16 en voladizo al resto del chip 13 . Encima de este voladizo hay una capa 15 piezoeléctrica compuesta por nanoestructuras de ZnO. Integrado de manera monolítica en el mismo chip 13, hay un diodo Schottky 12 y un condensador 14.
Se generarán varios tamaños para obtener diferentes frecuencias de resonancia, y se combinarán para obtener matrices de múltiples frecuencias de dispositivos de recopilación de energía. Las dimensiones laterales típicas de los voladizos y la masa inercial oscilarán entre 0,5 y 5 mm, y el grosor objetivo de la capa piezoeléctrica será de aproximadamente 1 μηι para el primer prototipo. Los dispositivos de recopilación pueden combinarse para producir una matriz según una combinación en serie o en paralelo de los mismos. Dependiendo de esta combinación eléctrica, se obtendrá un incremento de los niveles de corriente o de voltaje de salida para combinaciones en serie y en paralelo, respectivamente. Con el fin de combinar físicamente los dispositivos, pueden apilarse dejando suficiente espacio entre ellos para el movimiento resonante de la masa inercial.
Tal como se ilustra en la figura 5, el resorte se construye por medio de vigas de silicio microestructuradas sobre la capa de dispositivo de SOI y se cubre por el diferente material piezoeléctrico que desempeña el papel de resorte mecánico y transductor. La masa 11 inercial se crea mediante grabado de la capa de silicio tanto superior como inferior de la oblea de SOI (silicio sobre aislante) mediante RIE (grabado iónico reactivo) y DRIE (grabado iónico reactivo profundo), respectivamente. La parte no grabada que corresponde al marco del chip que formará la parte 17 anclada.
El uso de una oblea de SOI facilita la definición de la viga 16 en voladizo y la masa 11 inercial. Esta oblea será de tipo n con el fin de poder integrar un diodo Schottky 12 y un condensador 14 junto con la estructura móvil. El diodo 12 tendrá el papel de rectificar, con pocas pérdidas, la señal de CA generada por los NG que al mismo tiempo se harán crecer justo encima de la gran superficie del condensador 14 para ahorrar espacio.
Esta configuración crea una red de un diodo 12, capa 15 de CA piezoeléctrica como generador y un condensador 14 en serie, por tanto para cada estimulación mecánica sobre los NG, se almacenarán cargas negativas en el condensador 14. Debido a la rectificación in situ, pueden conectarse entre sí diferentes diseños con diferentes tamaños y la producción de voltaje siempre se sumará. Por ejemplo, voladizos 13 más largos y/o masas 11 inerciales más grandes darán como resultado frecuencias de resonancia inferiores y vigas más gruesas y/o materiales más rígidos aumentarán las frecuencias de resonancia.
Materiales
Estos dispositivos usan una oblea de SOI como parte estructural principal. El sustrato se elige con el fin de facilitar las definiciones de la masa inercial y la viga. Entonces se usan dos materiales piezoeléctricos diferentes:
AIN: Este material piezoeléctrico se ha usado durante varios años para fabricar FBAR (resonador de ondas acústicas de volumen de película) y colectores de energía. AIN se usa como capa semilla para hacer crecer NS de ZnO que se adaptarán a una capa piezoeléctrica nanoestructurada funcional. AIN se procesa mediante pulverización catódica por RF sobre una capa delgada de Ti/Pt que confiere una buena orientación cristalina. Pueden depositarse capas delgadas de menos de 100 nm y el análisis de XRD de la figura 4 muestra que la estructura y orientación cristalinas son estables. El grosor final usado en este tipo de dispositivos puede ser de entre 10 nm y 1 um.
ZnO: Este material piezoeléctrico y semiconductor se usará para hacer crecer nanoestructuras, específicamente sobre nanohilos (NW) y nanoláminas (NS) de ZnO piezoeléctricos. En los últimos años se han usado NG de ZnO para la recolección de energía. Estas nanoestructuras tienen las ventajas de ser más flexibles, menos sensibles a la rotura, y puede actuarse sobre las mismas más fácilmente que sobre películas delgadas. El método de crecimiento se basa en una reacción química hidrotérmica a baja temperatura (< 80°C) directamente sobre el sustrato de silicio cubierto por una capa semilla. Este método de crecimiento es especialmente rápido, fácil, económico y completamente compatible con tecnologías microelectrónicas basadas en silicio a nivel de oblea.
La figura 2 muestra los dos tipos de nanoestructuras de ZnO que se usarán para fabricar los dispositivos.
Para el caso de NS, se usa una capa delgada de AIN (el grosor puede ser menor de <100 nm) como capa semilla, barrera portadora antiapantallamiento y material piezoeléctrico adicional. De esta manera, la capa delgada de AIN no debe afectar a las propiedades mecánicas del dispositivo porque la tensión creada disminuye con el grosor. El método de crecimiento para NS de ZnO es el mismo que para los NW, pero se usa una capa semilla diferente que afecta totalmente a la forma de la nanoestructura que se hace crecer. El punto principal que hace que esta nanoestructura sea una solución prometedora para NG es la alta uniformidad, reproducibilidad y rapidez del crecimiento de NS.
Se han llevado a cabo varios estudios con el fin de verificar que NS de ZnO que se hacen crecer sobre AIN tienen una buena cristalinidad y por tanto propiedades piezoeléctricas.
La figura 3 muestra el resultado de una difracción de electrones en el área seleccionada (SAED) generada en un TEM de una única capa de NS en la que puede observarse una alta cristalinidad del material. También puede observarse en la figura 3 que la dirección de crecimiento es perpendicular al eje c, al contrario que un NW de ZnO típico que crece a lo largo del eje c. En el caso de NS, puede observarse un plano de crecimiento preferible (0001) a costa de la inhibición del plano de crecimiento {1010}, lo cual se invierte completamente en el caso de NW. Además, queda claro el tamaño hexagonal de los cristales de ZnO, típico de una red cristalina de wurtzita. El cristal hexagonal puede tener un diámetro de más de 1-5 μηι y un grosor de menos de 20 nm lo cual significa una enorme relación de aspecto superior a 100.
También se realizó un estudio de XRD para observar otras orientaciones cristalinas presentes en una matriz de NS. El resultado puede observarse en la figura 4. Puede observarse un pico destacado para la orientación (002) deseada del ZnO, también puede verse claramente la contribución de la película delgada de AIN.
Flujo de proceso
Tal como ya se mencionó, se integrarán un condensador y un diodo junto con el dispositivo de recopilación de energía con el fin de tener un sistema compacto que puede obtener un voltaje de CC (Corriente Continua) a partir de una aceleración de entrada variable. El proceso de fabricación va dirigido a ser compatible con tecnologías de CMOS poco exigentes. A continuación se indican las etapas del proceso que deben seguirse para llevar a cabo la fabricación tecnológica, incluyendo siete etapas fotolitográficas:
1. Se realiza una implantación de n+ en áreas seleccionadas de la capa de dispositivo de SOI dopada con n mediante un óxido de protección que se hizo crecer anteriormente. Esta implantación definirá el contacto óhmico con silicio y el electrodo inferior del condensador. (Máscara N+)
2. Se lleva a cabo una oxidación de campo de 1060 nm con el fin de pasivar los diferentes dispositivos. Por medio de grabado iónico reactivo (RIE) y grabado en húmedo este óxido puede retirarse selectivamente para definir regiones activas. (Máscara de áreas activas)
3. Realizar una oxidación de compuerta de 365 Á a 950°C para crear la capa de óxido delgada necesaria para producir el condensador.
4. Retirar este óxido delgado mediante grabados en seco y en húmedo a partir de áreas de contacto para permitir el acceso eléctrico a los diferentes contactos. (Máscara de contacto)
5. Encima de estas áreas de contacto, se pulverizará una multicapa de Cr/Ni/Au para crear el electrodo superior del condensador, la superficie de contacto metal- semiconductor del diodo Schottky y los contactos metálicos. El electrodo del condensador puede diseñarse para cubrir toda la superficie del chip disponible para maximizar su capacidad de carga lo cual es una gran mejora en comparación con dispositivos del estado de la técnica. La última capa de Au expuesta también se usará como capa semilla para hacer crecer NW de ZnO.
6. Con el fin de fabricar la versión de este dispositivo basado en NS de ZnO, se depositará una capa de Ti/Pt seguida por una capa de AIN de 100 nm mediante pulverización catódica por RF para generar la capa semilla para estas nanoestructuras.
7. La multicapa metálica total y capa semilla, cuando sea aplicable, se graban posteriormente en áreas seleccionadas. (Máscara de metal 1)
8. Se harán crecer nanohilos y nanoláminas de ZnO mediante un proceso hidrotérmico sobre las respectivas capas semilla depositadas sobre el electrodo superior del condensador, lo que hace que este dispositivo sea único.
9. Se recubrirá por centrifugación (Spin-coating) una capa de polímero (por ejemplo PMMA, PDMS o SU8) sobre la superficie y se revelará para incrustar los NW/NS para evitar cortocircuitos entre electrodos de NG, si es necesario.
10. Se depositará una capa gruesa de aluminio (también pueden usarse otros metales tales como titanio y platino), se litografiará y se grabará para cubrir los NW/NS incrustados, creando el electrodo superior de NG. (Máscara de metal 2). 1 1. Se fotolitografía el contorno de las estructuras móviles sobre el lado del dispositivo (máscara delantera de RIE) y se graba la capa del dispositivo de SOI mediante RIE.
12. En el lado trasero, se deposita aluminio, se fotolitografía y se graba para crear una máscara dura para DRIE. (Máscara trasera de DRIE).
13. Se graba completamente mediante DRIE la oblea de manipulación de SOI hasta el óxido enterrado. Antes de realizar esta etapa se recubre una capa resistente protectora sobre el lado delantero.
14. Se desprenden cuidadosamente las estructuras mediante grabado en húmedo del Si02 y se disuelve el recubrimiento de capa resistente mediante inmersión en acetona.
El dispositivo final es una viga en voladizo piezoeléctrica cargada en la punta desprendida con condensador y diodo integrados tal como se muestra en la figura 5. Esta integración permite reducir las pérdidas de potencia y facilita la combinación de varios generadores sin necesidad de controlar las diferencias de fase de los potenciales piezoeléctricos generados (es decir no se necesita ninguna sincronización de movimientos resonantes).
Rendimiento
Para el dispositivo basado en NW de ZnO, se supone que la densidad de NW será de ~4 NW/μηι2. Si cada NW toma una parte activa en la generación de carga, y a partir de un valor de 4 pW/NW medido cuando se curva un NW mediante una punta de AFM [4], puede estimarse una potencia generada de ~1 ,6 mW/cm2. Sin embargo, en el presente caso la estimulación mecánica se producirá mediante la compresión de las matrices de NW derivada del curvado de la viga y una superficie de transducción típica de 1 mm2. Se ha notificado una producción de potencia de 1 ,45 mW/cm2 (para un área de transducción de ~4 mm2) para una estructura similar a la que se colocará encima del condensador integrado para niveles de presión similares a los logrados con el curvado de la viga en voladizo. Teniendo en cuenta la presente configuración de dispositivo (área de transducción de ~1 mm2, aceleración de 1-10 g, tensión principal de 1-10 MPa), una potencia de salida objetivo de 500 μW/cm2 es un valor razonable. Para el caso de NS, no se dispone de datos anteriores, pero se esperan densidades de potencia comparables debido a las dimensiones y configuración de cristales similares tanto de NW como de NS. A partir de resultados anteriores, obtenidos usando estructuras similares pero con un enfoque de película delgada, puede estimarse un valor límite inferior para los presentes prototipos.
Para el primer prototipo, las dimensiones de los dispositivos finales serán de 0,5x0,5x0,05 cm3, y se basarán en una oblea de SOI de tipo n. Se espera que se use un marco o soporte de vidrio o silicio con el fin de permitir que la masa inercial se mueva arriba y abajo. Este marco de soporte puede aumentar el grosor del dispositivo final en 0,05 cm.
NÚMEROS DE REFERENCIA
1 1 Masa inercial.
12 Diodo de Schottky.
13 Chip que forma el dispositivo.
14 Condensador.
15 Capa piezoeléctrica.
16 Viga en voladizo.
17 Parte anclada.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de recolección de energía piezoeléctrico, que comprende:
- una parte (17) anclada;
- una masa (1 1) inercial;
- una estructura flexible;
caracterizado por que:
- la estructura flexible comprende una capa (15) piezoeléctrica con una pluralidad de nanoestructuras;
- un condensador (14) está formado entre un electrodo inferior de una región altamente dopada y un electrodo superior de una capa metálica; y
- un diodo (12) está formado entre dicha capa metálica y una región ligeramente dopada en la parte (17) anclada, estando el diodo (12) en serie con el condensador (14),
en el que la estructura flexible está configurada para curvarse provocando así que las nanoestructuras piezoeléctricas generen una corriente inducida por potencial piezoeléctrico rectificada por el diodo (12) y almacenada por el condensador (14).
2. Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que la estructura móvil es una viga (16) en voladizo entre la parte (17) anclada y la masa (1 1) inercial.
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, en el que una capa semilla que comprende Au está formada bajo la capa (15) piezoeléctrica constituida por ZnO y las nanoestructuras son nanohilos.
4. Dispositivo según la reivindicación 3, en el que la longitud de los nanohilos es de desde 100 nm hasta 10 μηι.
5. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, en el que una capa semilla que comprende AIN está formada bajo la capa (15) piezoeléctrica constituida por ZnO y las nanoestructuras son nanoláminas.
6. Dispositivo según la reivindicación 5, en el que el diámetro de las nanoláminas oscila entre 100 nm y 10 μηι.
7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones, en el que los electrodos del condensador (14) se extienden desde la estructura flexible hasta la parte (17) anclada.
8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones, en el que el material de sustrato es silicio cristalino de tipo n.
9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el material de sustrato es silicio cristalino de tipo p.
10. Sistema de recolección de energía que comprende una matriz de dispositivos de recolección de energía piezoeléctricos según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que dispositivos adyacentes están apilados dejando un hueco entre los mismos para el movimiento de la masa (1 1) inercial.
11. Sistema según la reivindicación 10, en el que los dispositivos de recolección de energía se combinan en serie.
12. El sistema según la reivindicación 10, en el que los dispositivos de recolección de energía se combinan en paralelo.
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