CN107026581B - 静电能量采集器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电能量采集器及其制备方法。一种静电能量采集器包括可变电容结构以及偏置电压生成装置；可变电容结构包括第一固定极板、第二固定极板和运动极板；第一固定极板包括第一基体和第一电极层；第二固定极板朝向第一固定极板相对设置；第二固定极板包括第二基体和第三电极层。运动极板设于第一固定极板和第二固定极板之间；运动极板包括支撑构件、质量块以及第二电极层；偏置电压生成装置用于生成偏置电压以在第一固定极板、第二固定极板和运动极板之间形成固定电场。静电能量采集器包括两个可变电容，可有效提高静电采集器的输出功率。静电能量采集器中的两块固定极板将运动极板结构封装在采集器的内部，从而提高采集器的稳定性。

Description

静电能量采集器及其制备方法

技术领域

本发明涉及能量采集技术领域，特别是涉及一种静电能量采集器及其制备方法。

背景技术

能量采集技术作为一种新型的供电方式，通过能量采集器将随处可见的、可再生能源，如机械振动、风能、太阳能、热能、核能等转化成电能，并结合相匹配的电源管理电路，为负载提供电能。振动能量采集器是能量采集器中的一种，它可以将自然界中普遍存在的机械振动能量转换成电能，进而实现不间断地为各种低功耗电子元件或者微系统供电，所以此类型的微电源具有良好的研究和应用前景。静电式振动能量采集器是基于可变电容结构进行设计的，相比于压电式和电磁式振动能量采集器，静电式振动能量采集器的优点在于其很容易通过MEMS微加工工艺制成硅基微型能量采集器，从而得以大规模低成本生产。但是，目前静电式能量采集器的输出功率低，稳定性差，不利于能量采集器的推广应用。

发明内容

基于此，有必要提供一种输出功率高且稳定性好的静电能量采集器及其制作方法。

一种静电能量采集器，包括可变电容结构以及偏置电压生成装置；所述可变电容结构包括第一固定极板、第二固定极板和运动极板；所述第一固定极板包括第一基体和第一电极层；所述第一基体上开设有第一凹槽；所述第一电极层形成于所述第一基体上开设有第一凹槽的一面；所述第二固定极板朝向所述第一固定极板相对设置；所述第二固定极板包括第二基体和第三电极层；所述第二基体上与所述第一固定极板相对的一面设置有第二凹槽；所述第三电极层形成于所述第二基体上开设有第二凹槽的一面；所述运动极板设于所述第一固定极板和第二固定极板之间；所述运动极板包括支撑构件、质量块以及第二电极层；所述支撑构件与所述第一基体以及所述第二基体连接；所述支撑构件用于支撑所述质量块，并使得所述质量块位于所述第一凹槽和所述第二凹槽之间；所述第二基体与所述支撑构件连接；所述第二电极层形成于所述运动极板的表面；所述第二电极层包括至少一个子电极层；其中，所述偏置电压生成装置用于生成偏置电压以在所述第一固定极板、所述第二固定极板和所述运动极板之间形成固定电场。

在其中一个实施例中，所述第二电极层包括一个子电极层；所述子电极层形成于所述运动极板上与所述第一固定极板相对的一面。

在其中一个实施例中，所述质量块上与所述第一凹槽相对的一面和/或所述第一凹槽内设置有凸点；所述质量块上与所述第二凹槽相对的一面和/或所述第二凹槽内设置有凸点。

在其中一个实施例中，所述第一凹槽和所述第二凹槽内均设置有凸点。

在其中一个实施例中，所述偏置电压生成装置为驻极体；所述驻极体上存在电荷分布；所述驻极体至少覆盖在所述可变电容结构中的两个电极层上。

在其中一个实施例中，所述驻极体覆盖在所述第一电极层表面和所述第三电极层表面；所述驻极体上存在异种电荷分布。

在其中一个实施例中，所述支撑构件包括支撑主体和悬臂梁结构；所述支撑主体为中空结构，用于放置所述质量块；所述悬臂梁结构分别与所述支撑主体、所述质量块连接。

一种静电能量采集器的制备方法，包括制备第一固定极板、制备第二固定极板、制备运动极板以及制备偏置电压生成装置的步骤；所述制备第一固定极板的步骤包括：提供正、反面都形成有氧化硅膜的第一晶片；通过光刻和刻蚀将所述第一晶片正面的部分氧化硅膜去除；以所述第一晶片正面未被去除的氧化硅膜为掩膜，对所述第一晶片的正面进行刻蚀形成第一基体，被刻蚀掉的位置形成第一凹槽；在所述第一晶片的正面形成金属层作为第一电极层；所述制备第二固定极板的步骤包括：提供正、反面都形成有氧化硅膜的第二晶片；通过光刻和刻蚀将所述第二晶片正面的部分氧化硅膜去除；以所述第二晶片正面未被去除的氧化硅膜为掩膜，对所述第二晶片的正面进行刻蚀形成第二基体，被刻蚀掉的位置形成第二凹槽；在所述第二晶片的正面形成金属层作为第三电极层；所述制备运动极板的步骤包括：提供正、反面都形成有氧化硅膜的第三晶片；通过光刻和刻蚀将所述第三晶片正面的部分氧化硅膜去除，未被去除的氧化硅膜的位置即为运动极板的质量块的位置；以所述第三晶片正面未被去除的氧化硅膜为掩膜，对所述第三晶片的正面进行刻蚀，被刻蚀处剩余的晶片厚度为所述运动极板的支撑构件中悬臂梁的厚度的两倍；通过光刻和刻蚀将所述第三晶片反面的部分氧化硅膜去除，未被去除的氧化硅膜的位置即为所述悬臂梁的位置；以所述第三晶片正面和反面未被去除的氧化硅膜为掩膜，对所述第三晶片的正面和反面同时刻蚀，并在刻穿所述第三晶片时停止刻蚀，形成所述悬臂梁；在所述第三晶片的反面形成金属层作为第二电极层；所述制备偏置电压生成装置的步骤包括在所述第一电极层和所述第三电极层形成带电荷的驻极体。

在其中一个实施例中，所述通过光刻和刻蚀将所述第一晶片正面的部分氧化硅膜去除的步骤中，保留所述第一凹槽上方的部分氧化硅膜作为第一凸点成型氧化膜；所述制备第一固定极板的步骤还包括：刻蚀形成第一基体之前，以氧化硅膜为掩膜刻蚀第一晶片，在所述第一凸点成型氧化膜下方形成第一凸点，刻蚀深度为所述第一凸点的目标高度，并刻蚀去除所述第一凸点成型氧化膜；所述通过光刻和刻蚀将所述第二晶片正面的部分氧化硅膜去除的步骤中，保留所述第二凹槽上方的部分氧化硅膜作为第二凸点成型氧化膜；所述制备第二固定极板的步骤还包括：刻蚀形成第二基体之前，以氧化硅膜为掩膜刻蚀第二晶片，在所述第二凸点成型氧化膜下方形成第二凸点，刻蚀深度为所述第二凸点的目标高度，并刻蚀去除所述第二凸点成型氧化膜。

在其中一个实施例中，所述在所述第一电极层和所述第三电极层形成带电荷的驻极体的步骤包括：分别在所述第一电极层和所述第三电极层的表面形成驻极体；分别对所述第一电极层和所述第三电极层的驻极体进行充电以使得所述驻极体存在电荷分布。

上述静电能量采集器，第一固定极板和运动极板之间形成一个可变电容，第二固定极板和运动极板之间形成另外一个可变电容，也即是静电能量采集器包括两个可变电容，因此可以有效提高静电采集器的输出功率。并且，静电能量采集器中的两块固定极板将运动极板结构封装在采集器的内部，从而提高采集器的稳定性。

附图说明

图1为一实施例中的静电能量采集器的结构图；

图2为图1中的静电能量采集器的剖视图；

图3A为一实施例中的静电能量采集器的轴侧图；

图3B为图3A的静电能量采集器的轴侧剖面图；

图4A～4E分别为五个实施例中的可变电容结构中驻极体上电荷分布图；

图5为一实施例中的驻极体表面电晕充电方式的示意图；

图6为一实施例中制备第一固定极板的步骤的流程图；

图7为另一实施例中制备第一固定极板的步骤的流程图；

图8A～8H为与图7中的制备流程对应的器件的结构示意图；

图9为一实施例中制备第二固定极板的步骤的流程图；

图10为一实施例中制备运动极板步骤的流程图；

图11为另一实施例中制备运动极板的步骤的流程图；

图12A～12H为与图11中的制备流程对应的器件的结构示意图；

图13A为上结构器件测试电路的示意图；

图13B为下结构器件测试电路的示意图；

图13C为一实施例中的静电能量采集器的器件整体测试电路的示意图；

图14A～14C为对应图13A～13C的三种连接方式在三种不同驱动加速度情况下的对外输出功率随驱动频率变化的示意图；

图15为一实施例中的静电能量采集器在外部驱动信号为随机信号时，测试带通(135±25Hz)情况下的输出功率变化图；

图16为一实施例中的静电能量采集器在随机振动环境下对一个47μF的电容器充电时的充电器电压随充电时间的变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种静电能量采集器，能够将振动能量转换为电能进行存储或者向外供电。图1为一实施例中的静电能量采集器的结构图。如图1所示，该静电能量采集器包括第一固定极板100、第二固定极板200、运动极板300以及偏置电压生成装置(图1中未示)。第一固定极板100、第二固定极板200和运动极板300构成变间距式可变电容结构。偏置电压生成装置用于生成偏置电压以在第一固定极板100、第二固定极板200和运动极板300之间形成固定电场。

图2为图1中的静电能量采集器的剖视图。如图2所示，第一固定极板100包括第一基体110和第一电极层130。第一基体110上开设有第一凹槽。第一电极层130形成于第一基体110上开设有第一凹槽的一面。运动极板300与第一固定极板100相对设置。第二固定极板200朝向第一固定极板100相对设置。第二固定极板200包括第二基体210和第三电极层230。第二基体210上与第一固定极板100相对的一面设置有第二凹槽。第三电极层230形成于第二基体210上开设有第二凹槽的一面。运动极板300设于第一固定极板100和第二固定极板200之间。运动极板300包括支撑构件310(如图1所示)、质量块330以及第二电极层。支撑构件310分别与第一基体110以及第二基体210连接。支撑构件310用于支撑质量块330，并使得质量块330位于第一凹槽和第二凹槽之间。支撑构件310包括支撑主体311和悬臂梁结构313。支撑主体311为中空结构，用于放置质量块330。悬臂梁结构313分别与支撑主体311以及质量块330连接，以实现对质量块330的支撑作用。第二电极层形成于运动极板的表面；第二电极层包括至少一个子电极层。在本实施例中，第二电极层只有一个子电极层350。子电极层350为形成于运动极板300上与第一固定极板100相对的一面。第二固定极板200与运动极板300上与第一固定极板100相对设置的对立面上的一面相对设置。

上述静电能量采集器，第一固定极板100和运动极板300之间形成一个可变电容，第二固定极板200和运动极板300之间形成另外一个可变电容，也即是静电能量采集器包括两个可变电容，因此可以有效提高静电采集器的输出功率。并且，静电能量采集器中的两块固定极板将运动极板300结构封装在采集器的内部，从而提高采集器的稳定性。

图1示意性地描述本实施例中的静电能量采集器。该静电能量采集器为由两个固定极板构件和一个四悬臂梁-中心质量块运动极板构件所键合后的三明治结构的静电能量采集器。该静电能量采集器包含有两个变间距式可变电容结构，因此可以有效提高静电能量采集器的输出功率。图3A是本实施例的静电能量采集器的轴侧图。图3B是本实施例的静电能量采集器的轴侧剖面图。

在本实施例中，偏置电压生成装置为驻极体，驻极体上存在电荷分布。驻极体至少覆盖在静电能量采集器的可变电容结构中的两个电极层上。具体地，在静电能量采集器的可变电容结构中电极层上涂覆驻极体材料，并对驻极体材料进行电晕充电以使得可变电容结构中的电极层存在电荷分布。驻极体材料包括无机驻极体材料或有机驻极体材料。静电能量采集器的可变电容结构中，电极层上通过涂覆驻极体以使得电极层存在的电荷分布包括五种，具体参见图4A至图4E。如图4A所示，第二固定极板200的第三电极层230的内表面分布有正电荷。第一固定极板100的第一电极层130的内表面分布有负电荷。如图4B所示，运动极板300相对于第二固定极板200的表面分布负电荷。第一固定极板100的第一电极层130的内表面分布有负电荷。如图4C所示，运动极板300相对于第二固定极板200的表面分布正电荷。第一固定极板100的第一电极层130的内表面分布有正电荷。如图4D所示，运动极板300相对于第二固定极板200的表面分布负电荷。运动极板300相对于第一固定极板100的表面分布正电荷。如图4E所示，第二固定极板200的第三电极层230的内表面分布有正电荷。第一固定极板100的第一电极层130的内表面分布有负电荷。运动极板300相对于第二固定极板200的表面分布负电荷。运动极板300相对于第一固定极板100的表面分布正电荷。在图2所示的实施例中，驻极体150和驻极体250分别覆盖在第一电极层130的内表面和第三电极层230的内表面。第一电极层130和第三电极层230上的电荷分布如图4A所示。第一电极层130和第三电极层230分别充异种电荷，为两个可变电容结构(第一固定极板100和运动极板300形成的第一可变电容结构，第二固定极板200和运动极板300形成的第二可变电容结构)提供偏压。其中，对本实施例中的驻极体150(250)表面进行电晕充电方式如图5所示。充电时，第一固定极板100或第二固定极板200接地，电晕充电尖端501施加高电压(可正电压，可负电压)，电荷会在强电场的作用下迁移到驻极体150(250)表面及内部，形成稳定的高密度固定电荷分布(此电荷的极性取决于电晕充电尖端电压的极性)，此高密度稳定的固定电荷为可变电容结构提供偏置电压。栅网503的电压可以调节控制驻极体150(250)的表面电势以及保证表面电荷分布均匀性。

质量块330上与第一基体110的第一凹槽相对的一面和/或第一基体110的第一凹槽内设置有凸点。质量块330上与第二基体210的第二凹槽相对的一面和/或第二基体210的第二凹槽内设置有凸点。在图2所示的实施例中，第一基体110的第一凹槽内设置有凸点170。凸点170可以阻隔运动极板300和第一固定极板100之间由于驻极体150表面的静电吸附力导致的运动极板300和第一固定极板100的相互接触粘附。第二基体210的第二凹槽内设置有凸点270。凸点270可以阻隔运动极板300和第二固定极板200之间由于驻极体250表面的静电吸附力导致的运动极板300和第二固定极板200的相互接触粘附。

本发明还提供了一种静电能量采集器的制备方法，用于制备上述静电能量采集器。一种静电能量采集器的制备方法包括制备第一固定极板、制备第二固定极板及、制备运动极板以及制备偏置电压生成装置的步骤。在本实施例中，该制备方法采用MEMS微加工工艺来制备。

在本实施例中，根据第一固定极板的结构需求制备第一固定极板。第一固定极板包括第一基体和第一电极层。第一基体为硅基材料，第一电极层为金属层。如图6所示，制备第一固定极板的步骤包括：

S611，提供正、反面都形成有氧化硅膜的第一晶片。

S613，通过光刻和刻蚀将所述第一晶片正面的部分氧化硅膜去除。

S615，以所述第一晶片正面未被去除的氧化硅膜为掩膜，对所述第一晶片的正面进行刻蚀形成第一基体，被刻蚀掉的位置形成第一凹槽。

S617，在所述第一晶片的正面形成金属层作为第一电极层。

在本实施例中，步骤S613中保留第一凹槽上方的部分氧化硅膜作为第一凸点成型氧化膜。步骤S615在刻蚀形成第一基体之前，还包括以氧化硅膜为掩膜刻蚀第一晶片，在第一凸点成型氧化膜下方形成第一凸点，刻蚀深度为第一凸点的目标高度，并刻蚀去除第一凸点成型氧化膜。

具体地，第一固定极板的制备流程如图7所示，包括以下步骤：

S710，提供双面形成有二氧化硅层的晶片。

将一块双面氧化抛光的硅(100)晶片进行标准的清洗，得到洁净的晶片，如图8A所示。

S720，在晶片双面形成光刻胶，并对晶片正面的光刻胶进行光刻以获得结构图形。

在本实施例中，以晶片的一面为正面，则相对面为反面。在晶片正面旋涂光刻胶，并采用光刻工艺，获得由光刻胶形成的微结构图形。在晶片反面旋涂光刻胶以保护反面的二氧化硅层。制备完成的结构如图8B所示。

S730，以光刻胶为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，以去除晶片正面裸露的二氧化硅层并去除光刻胶，形成由二氧化硅组成的结构图形。

以光刻胶为掩膜层，对所得的微结构图形进行BOE(Buffered Oxide Etchant，缓冲蚀刻液)湿化学刻蚀，去除晶片正面裸露的二氧化硅层后将光刻胶去除，从而形成由二氧化硅组成的微结构图形，如图8C所示。

S740，以二氧化硅为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，刻蚀单晶硅得到凸点。

以二氧化硅作为掩膜层，对得到的微结构图形进行KOH(氢氧化钾)湿化学刻蚀，刻蚀一定深度的单晶硅，得到设计需要的固定高度的微小凸点。凸点可以避免采集器工作时，由于驻极体表面静电吸附作用导致变间距式可变电容的两极板粘附在一起无法分开而损坏器件。图8D是步骤S740完成后的示意图。

S750，采用等离子体干法刻蚀工艺去除凸点表面的二氧化硅层。

在本实施例中，采用ICP(inductively coupled plasma，感应耦合等离子体)等离子体干法刻蚀方法，去除凸点表面的二氧化硅层。完成步骤S750后得到的器件结构如图8E所示。

S760，以二氧化硅层为掩膜层，刻蚀单晶硅形成凹槽。

以二氧化硅为掩膜层，进行KOH湿化学刻蚀，刻蚀一定深度的单晶硅，得到设计需要的固定深度的凹槽，如图8F所示。

S770，在晶片的凹槽所在面形成一层金属层作为第一电极层。

在晶片的凹槽所在面，也即晶片的正面采用磁控溅射一层金属，作为固定极板的电极，如图8G所示。在本实施例中，金属层为铝/铬金属导电层。在其他的实施例中，也可以采用蒸镀和电镀等方式进行制备。

完成步骤S770则完成了第一固定极板的制备。在本实施例中，由于偏置电压生成装置采用内置驻极体的结构，因此在完成S770后还会继续制备偏置电压生成装置，即S780～S790。在其他的实施例中，若偏置电压生成装置采用外置装置，则无需执行S780～S790。

S780，在第一电极层表面形成一层驻极体。

在第一电极层也即金属层表面形成一层驻极体，并预留部分裸露电极。驻极体至少完全覆盖凹槽所在区域，如图8H所示。驻极体材料为无机驻极体材料或有机驻极体材料。在本实施例中，驻极体为CYTOP(透明含氟聚合物)驻极体材料。

S790，对驻极体进行充电。

通过电晕充电的方式为第一固定极板表面的驻极体材料充电，使得驻极体上存在电荷分布，从而可以形成固定电场。

在本实施例中，根据第二固定极板的结构需求制备第二固定极板。第二固定极板包括第二基体和第三电极层。第二基体为硅基材料，第三电极层为金属层。如图9所示，制备第二固定极板的步骤包括：

S621，提供正、反面都形成有氧化硅膜的第二晶片。

S623，通过光刻和刻蚀将所述第二晶片正面的部分氧化硅膜去除。

S625，以所述第二晶片正面未被去除的氧化硅膜为掩膜，对所述第二晶片的正面进行刻蚀形成第二基体，被刻蚀掉的位置形成第二凹槽。

S627，在所述第二晶片的正面形成金属层作为第三电极层。

在本实施例中，步骤S623中保留第二凹槽上方的部分氧化硅膜作为第二凸点成型氧化膜。步骤S625在刻蚀形成第二基体之前，还包括以氧化硅膜为掩膜刻蚀第二晶片，在第二凸点成型氧化膜下方形成第二凸点，刻蚀深度为第二凸点的目标高度，并刻蚀去除第二凸点成型氧化膜。

具体地，第二固定极板的制备流程与第一固定极板的制备流程相同，此处不再做进一步的说明。

在本实施例中，根据运动极板的结构图形进行运动极板的制备。运动极板包括支撑构件、质量块以及第二电极层。如图10所示，制备运动极板的步骤包括：

S631，提供正、反面都形成有氧化硅膜的第三晶片。

S633，通过光刻和刻蚀将所述第三晶片正面的部分氧化硅膜去除，未被去除的氧化硅膜的位置即为运动极板的质量块的位置。

S635，以所述第三晶片正面未被去除的氧化硅膜为掩膜，对所述第三晶片的正面进行刻蚀，被刻蚀处剩余的晶片厚度为所述运动极板的支撑构件中悬臂梁的厚度的两倍。

S637，通过光刻和刻蚀将所述第三晶片反面的部分氧化硅膜去除，未被去除的氧化硅膜的位置即为所述悬臂梁的位置。

S638，以所述第三晶片正面和反面未被去除的氧化硅膜为掩膜，对所述第三晶片的正面和反面同时刻蚀，并在刻穿所述第三晶片时停止刻蚀，形成所述悬臂梁。

S639，在所述第三晶片的反面形成金属层作为第二电极层。

具体的制备流程如图11所示。图11为一实施例中的运动极板的制备流程，包括以下子步骤。

S910，提供双面形成有二氧化硅层的晶片。

将一块双面氧化抛光的硅(100)晶片进行标准的清洗，得到洁净的晶片，如图12A所示。

S920，在晶片双面形成光刻胶，并对晶片正面的光刻胶进行光刻以获得结构图形。

在本实施例中，以晶片的一面为正面，则相对面为反面。在晶片正面旋涂光刻胶，并采用光刻工艺，获得由光刻胶形成的微结构图形。在晶片反面旋涂光刻胶以保护反面的二氧化硅层。制备完成的结构如图12B所示。

S930，以光刻胶为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，以去除晶片正面裸露的二氧化硅层并去除光刻胶，形成由二氧化硅组成的结构图形。

以光刻胶为掩膜层，对所得的微结构图形进行BOE湿化学刻蚀，去除晶片正面裸露的二氧化硅层后将光刻胶去除，从而形成由二氧化硅组成的微结构图形，如图12C所示。

S940，以二氧化硅为掩膜层，对所得的结构图形进行湿化学刻蚀，刻蚀单晶硅直至剩余单晶硅的厚度达到目标厚度。

以二氧化硅为掩膜层，对所得的微结构图形进行KOH湿化学刻蚀，刻蚀一定深度的单晶硅。刻蚀深度和支撑构件的悬臂梁的厚度有关，通常刻蚀后留下的单晶硅的厚度为悬臂梁厚度的两倍。图12D为完成S940后器件的结构示意图。

S950，在晶片反面形成光刻胶，并进行刻蚀以获得结构图形。

在晶片反面旋涂光刻胶，采用光刻工艺，获得由光刻胶形成的微结构图形，如图12E所示。

S960，以光刻胶为掩膜层，采用等离子体干法刻蚀的方法，去除晶片反面裸露的二氧化硅层。

在本实施例中，以光刻胶作为掩膜层，采用ICP(inductively coupled plasma，感应耦合等离子体)等离子体干法刻蚀方法，去除晶片反面裸露的二氧化硅层。图12F为步骤S960完成后的结构示意图。

S970，以二氧化硅为掩膜层，对晶片正面和反面同时进行湿化学刻蚀，刻穿晶片从而形成支撑构件和质量块。

以二氧化硅做掩膜层，对晶片正反两面同时进行KOH湿化学刻蚀，刻穿晶片，释放悬臂梁结构，完成四悬臂梁-运动质量块的加工。

S980，对质量块的表面进行湿化学刻蚀以去除表面的二氧化硅层，在质量块上裸露的硅表面形成金属层，金属层作为质量块的电极层。

在本实施例中，将上一步得到的结构使用BOE去除表面二氧化硅层，然后在裸露的硅表面磁控溅射一层金属，作为四悬臂梁-中心质量块运动极板构件的电极。在其他的实施例中，也可以采用蒸镀和电镀等方式进行制备。图12G为完成S980后器件的结构示意图。在本实施例中。质量块上无需设置凸点，因此降低了加工工艺的难度。在其他实施例中，也可以在质量块上与对应固定极板的凸点的位置上设置凸点，以增强防静电吸附的作用。图12H为完成S970后器件的结构示意图。

完成S980即完成了运动极板的制备。

在本实施例中，由于偏置电压生成装置在固定极板制备过程中即同时完成了制备，故可以将制备好的运动极板与第一固定极板相对贴附，并通过键和技术进行连接，从而形成第一个电容结构。然后将第二固定极板与运动极板的另一面进行相对贴附，并通过键和技术进行连接，从而形成第二个电容结构。该静电能量采集器为整体构成三明治结构的器件。极板连接后，支撑构件与第一基体以及第二基体连接，质量块在支撑构件的支撑下位于第一固定极板的凹槽的上方(第二固定极板的凹槽下方)，如图3A～3B所示。

为进步一说明本实施例中的静电能量采集器的工作性能，下面结合以一具体实施例来进行说明。本实施例所选取的静电能量采集器的关键结构参数如下：第一固定极板和第二固定极板的凹槽深度均为350μm、悬臂梁尺寸为7mm*0.2mm*0.06mm、质量块尺寸为9.5mm*9.5mm*0.5mm、第一固定极板和第二固定极板上的驻极体表面电势绝对值约600V～650V。

图13A～13C描述了本实施例静电能量采集器的测试电路示意图。测试原理：静电能量采集器工作时，通过记录电阻R₀两端的电压值，然后经过计算得出电阻R₁+R₀上所消耗的功率，即为静电能量采集器对外输出的功率值。按照此测试方式，对比本实施例中的静电能量采集器的输出功率与上下两个单个电容结构的静电能量采集器的输出功率。

首先外加正弦振动，通过调节可变电阻R₁，寻找当静电能量采集器输出功率最大时，最佳的负载阻值R₁+R₀，然后固定负载阻值，对静电能量采集器进行扫频测试和某频段随机测试。以下结合附图对测试结果进行说明。

图14A～14C是在外部负载阻值是20MΩ时，正弦驱动信号频率从100Hz到170Hz升频变化，测出三种连接方式对应的器件输出功率变化曲线。分别选取了三种振动加速度：4.99m/s2(0.5g)，9.98m/s2(1g)，19.96m/s2(2g)。附图结果显示，无论在哪种加速度下，本实施例中的静电能量采集器的输出功率都高于上结构器件或者下结构器件的单个输出功率。同时当加速度增加到使得质量块与固定极板间的薄膜空气阻尼明显升高时(图14B)，或者使得质量块与固定极板发生碰撞时(图14C)，输出频带会向低频方向扩展。如图14C所示，本实施例中的静电能量采集器的最高输出功率已经超过20μW，这主要与驻极体表面高电势和本实施例中的静电能量采集器的三明治结构设计有关。

图15是在不同平均加速度下，本实施例中的静电能量采集器在135±25Hz频率范围内随机输出功率情况。图16是本实施例中的静电能量采集器在随机振动情况下，给电容器充电曲线。根据附图15和附图16可知，在平均加速度约1g(10.2m/s2)时，本实施例中的静电能量采集器可以在50Hz的宽频范围内输出平均功率3.96μW(负载电阻20MΩ)。利用该静电能量采集器在此随机振动环境下对一个47μF的电容器充电，静电能量采集器输出电信号经过整流后可以在10分钟内将此电容器电压充到大约5.9v。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种静电能量采集器，包括可变电容结构以及偏置电压生成装置；其特征在于，所述可变电容结构包括第一固定极板、第二固定极板和运动极板；

所述第一固定极板包括第一基体和第一电极层；所述第一基体上开设有第一凹槽；所述第一电极层形成于所述第一基体上开设有第一凹槽的一面；

所述第二固定极板朝向所述第一固定极板相对设置；所述第二固定极板包括第二基体和第三电极层；所述第二基体上与所述第一固定极板相对的一面设置有第二凹槽；所述第三电极层形成于所述第二基体上开设有第二凹槽的一面；

所述运动极板设于所述第一固定极板和第二固定极板之间；所述运动极板包括支撑构件、质量块以及第二电极层；所述支撑构件与所述第一基体以及所述第二基体连接；所述支撑构件用于支撑所述质量块，并使得所述质量块位于所述第一凹槽和所述第二凹槽之间；所述第二基体与所述支撑构件连接；所述第二电极层形成于所述运动极板的表面；所述第二电极层包括至少一个子电极层；其中，所述偏置电压生成装置用于生成偏置电压以在所述第一固定极板、所述第二固定极板和所述运动极板之间形成固定电场；

所述第二电极层包括一个子电极层；所述子电极层形成于所述运动极板上与所述第一固定极板相对的一面；

所述质量块上与所述第一凹槽相对的一面和/或所述第一凹槽内设置有凸点；所述质量块上与所述第二凹槽相对的一面和/或所述第二凹槽内设置有凸点。

2.根据权利要求1所述的静电能量采集器，其特征在于，所述第一凹槽和所述第二凹槽内均设置有凸点。

3.根据权利要求1所述的静电能量采集器，其特征在于，所述偏置电压生成装置为驻极体；所述驻极体上存在电荷分布；所述驻极体至少覆盖在所述可变电容结构中的两个电极层上。

4.根据权利要求3所述的静电能量采集器，其特征在于，所述驻极体覆盖在所述第一电极层表面和所述第三电极层表面；所述驻极体上存在异种电荷分布。

5.根据权利要求1所述的静电能量采集器，其特征在于，所述支撑构件包括支撑主体和悬臂梁结构；所述支撑主体为中空结构，用于放置所述质量块；所述悬臂梁结构分别与所述支撑主体、所述质量块连接。

6.一种静电能量采集器的制备方法，其特征在于，包括制备第一固定极板、制备第二固定极板、制备运动极板以及制备偏置电压生成装置的步骤；

所述制备第一固定极板的步骤包括：提供正、反面都形成有氧化硅膜的第一晶片；

通过光刻和刻蚀将所述第一晶片正面的部分氧化硅膜去除；

以所述第一晶片正面未被去除的氧化硅膜为掩膜，对所述第一晶片的正面进行刻蚀形成第一基体，被刻蚀掉的位置形成第一凹槽；

在所述第一晶片的正面形成金属层作为第一电极层；

所述制备第二固定极板的步骤包括：提供正、反面都形成有氧化硅膜的第二晶片；

通过光刻和刻蚀将所述第二晶片正面的部分氧化硅膜去除；

以所述第二晶片正面未被去除的氧化硅膜为掩膜，对所述第二晶片的正面进行刻蚀形成第二基体，被刻蚀掉的位置形成第二凹槽；

在所述第二晶片的正面形成金属层作为第三电极层；

所述制备运动极板的步骤包括：提供正、反面都形成有氧化硅膜的第三晶片；

通过光刻和刻蚀将所述第三晶片正面的部分氧化硅膜去除，未被去除的氧化硅膜的位置即为运动极板的质量块的位置；

以所述第三晶片正面未被去除的氧化硅膜为掩膜，对所述第三晶片的正面进行刻蚀，被刻蚀处剩余的晶片厚度为所述运动极板的支撑构件中悬臂梁的厚度的两倍；

通过光刻和刻蚀将所述第三晶片反面的部分氧化硅膜去除，未被去除的氧化硅膜的位置即为所述悬臂梁的位置；

以所述第三晶片正面和反面未被去除的氧化硅膜为掩膜，对所述第三晶片的正面和反面同时刻蚀，并在刻穿所述第三晶片时停止刻蚀，形成所述悬臂梁；

在所述第三晶片的反面形成金属层作为第二电极层；

所述制备偏置电压生成装置的步骤包括在所述第一电极层和所述第三电极层形成带电荷的驻极体。

7.根据权利要求6所述的静电能量采集器的制备方法，其特征在于，

所述通过光刻和刻蚀将所述第一晶片正面的部分氧化硅膜去除的步骤中，保留所述第一凹槽上方的部分氧化硅膜作为第一凸点成型氧化膜；所述制备第一固定极板的步骤还包括：

刻蚀形成第一基体之前，以氧化硅膜为掩膜刻蚀第一晶片，在所述第一凸点成型氧化膜下方形成第一凸点，刻蚀深度为所述第一凸点的目标高度，并刻蚀去除所述第一凸点成型氧化膜；

所述通过光刻和刻蚀将所述第二晶片正面的部分氧化硅膜去除的步骤中，保留所述第二凹槽上方的部分氧化硅膜作为第二凸点成型氧化膜；所述制备第二固定极板的步骤还包括：

刻蚀形成第二基体之前，以氧化硅膜为掩膜刻蚀第二晶片，在所述第二凸点成型氧化膜下方形成第二凸点，刻蚀深度为所述第二凸点的目标高度，并刻蚀去除所述第二凸点成型氧化膜。

8.根据权利要求6所述的静电能量采集器的制备方法，其特征在于，所述在所述第一电极层和所述第三电极层形成带电荷的驻极体的步骤包括：

分别在所述第一电极层和所述第三电极层的表面形成驻极体；

分别对所述第一电极层和所述第三电极层的驻极体进行充电以使得所述驻极体存在电荷分布。

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