CN108199619B - 互补型压电能量收集器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种互补型压电能量收集器及其制作方法，是一种高效，具有较高的方向兼容性，且集成度高的压电式能量收集器及其制作方法。该收集器以单晶硅为衬底，在衬底上设置有多个固支梁桥墩，不同的固支梁桥墩上设置有不同方向的固支梁，固支梁表面覆有压电材料层，固支梁中心向内设置有质量块。其结构支撑方式：每个固支梁均由独立的两个桥墩支撑，桥墩同时起着引脚的作用。由于各固支梁方向相互垂直，因此外界激励沿坐标方向传播时，固支梁将只工作在同一种工作模式下，由于激励沿X轴或Y轴传播时，能量收集器中既有固支梁工作在d33模式，也有固支梁工作在d31模式，实现了工作模式的互补，极大的提高了吸收效率。

Description

互补型压电能量收集器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统能量收集器，特别涉及一种互补型压电能量收集器及其制作方法，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

能量收集器是一种将外界能量激励转化为电能的器件，能量转化的原理有很多种，其中较为常用的机械能——电能转化方式是利用压电材料的压电效应，利用压电效应能够设计各种高效的能量收集器。近年来随着MEMS技术和特种材料的飞速发展，对MEMS固支梁结构有了深入的研究，使得MEMS固支梁技术应用于压电式能量收集器成为可能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种互补型压电能量收集器及其制作方法，通过MEMS技术使能量收集器小型化、集成化，同时其特殊的结构能够同时吸收多个方向的振动能量，同时利用不同压电片d33工作模式与d31工作模式，实现工作模式的互补，极大的提高了能量收集器的工作效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种互补型压电能量收集器，该收集器以硅为衬底，在所述硅衬底上设置有若干固支梁桥墩、若干不同方向的MEMS固支梁，每个所述固支梁桥墩均与硅衬底连接；每个所述MEMS固支梁均通过两端的固支梁桥墩固定并悬空于硅衬底的上方，其内表面的中心处设置有质量块，外表面设置有压电片。；所述MEMS固支梁包括X向固支梁、Y向固支梁和Z向固支梁。

作为本发明的进一步技术方案，所述MEMS固支梁包括X向固支梁、Y向固支梁和Z向固支梁，其中，X向固支梁的法向方向为X轴，其内表面的中心处设置有X向质量块，外表面设置有X向压电片；Y向固支梁的法向方向为Y轴，其内表面的中心处设置有Y向质量块，外表面设置有Y向压电片；Z向固支梁的法向方向为Y轴，其内表面的中心处设置有中心质量块，外表面设置有Z向压电片。

作为本发明的进一步技术方案，所述MEMS固支梁包括两个X向固支梁、两个Y向固支梁和两个Z向固支梁，其中，两个X向固支梁、两个Y向固支梁围成一个方形结构且压电片朝外，两个Z向固支梁位于方形结构的中心处。

另一方面，本发明还提供一种互补型压电能量收集器的制作方法，包括以下步骤：

1)准备硅衬底；

2)在硅衬底上涂上光刻胶作为第一牺牲层，再通过淀积SiO₂形成第二牺牲层，并在表面平面化处理后再涂上一层光刻胶；

3)光刻去除固支梁桥墩部分的光刻胶，显影后刻蚀固支梁桥墩部分的第二牺牲层和第一牺牲层；

4)溅射金属铜，形成固支梁桥墩，并在表面平面化处理后涂上光刻胶；

5)光刻去除质量块部分的光刻胶，显影后刻蚀质量块部分的第二牺牲层；

6)溅射金属镍形成质量块，并在表面平面化处理后涂上光刻胶；

7)光刻去除能量收集器所占范围以外的光刻胶，显影后刻蚀该部分的第一牺牲层和第二牺牲层；

8)在步骤7)形成结构表面电镀一层铜；

9)步骤8)形成的结构表面溅射压电材料，形成压电材料层；

10)在步骤9)形成的结构上淀积一层氮化硅，并在表面平面化处理后涂上一层光刻胶；

11)光刻并保留能量收集器所占范围内所有固支梁和压电片部分以外的光刻胶；

12)刻蚀：显影后刻蚀步骤11)中所保留位置之外的其他位置的氮化硅、压电材料以及铜；

13)去除剩余的光刻胶，同时腐蚀氮化硅；

14)腐蚀第二牺牲层，去除第一牺牲层；

15)去除衬底上多余的铜和压电材料。

作为本发明的进一步技术方案，步骤1)中采用未掺杂的单晶硅作为衬底。

作为本发明的进一步技术方案，步骤9)中溅射PZT-5系列压电材料。

与现有的压电型能量收集器相比，这种新型的基于MEMS技术的互补型压电式能量收集器具有以下显著的优点：

1、这种结构能够吸收3个坐标轴方向的能量，也就是说无论收集器的位置状态如何，在任意方向传来振动，都将在能量收集器结构定义三个坐标轴上分解为三个分量，所有的固支梁都将不同程度地发生形变，同时悬臂梁上的压电片也将产生电能；

2、该结构具有很高的利用率，接收振动时，若一组固支梁完全工作在d33模式下时，其他固支梁也将完全工作在d31或者d33模式下，此时工作效率最大，同时不会出现固支梁闲置的情况，而且固支梁的输出为独立输出，易于收集各固支梁上的电能；

3、通过改变固支梁中央质量块的尺寸，质量，可以改变悬臂梁的谐振频率，从而为后续的定制设计带来了极大的便利；

4、该结构采用的梁结构为固支梁，相比悬臂梁而言稳定性更好且可靠性更高，且便于生产；

5、而且这种机构是基于MEMS技术的，具有MEMS的基本优点，比如体积小、重量轻、功耗低等。且与CMOS工艺完全兼容，便于集成。

附图说明

图1是结构示意图。

图2是加工步骤10结束后器件中心位置的截面图(截面法方向为Y轴)。

图3是加工步骤12结束后器件中心位置的截面图(截面法方向为Y轴)。

图中包括：1-中心质量块，2-固支梁桥墩，3-X向固支梁，4-X向质量块，5-Y向固支梁，6-Y向质量块，7-Z向固支梁，8-Z向压电片，9-Y向压电片，10-X向压电片，11-氮化硅层，12-光刻胶，13-PZT-5压电层，14-质量块，15-第二牺牲层，16-衬底，17-固支梁电镀铜层，18-第一牺牲层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的互补型压电能量收集器是一种新型，高效的多向振动能量收集器，该能量收集器以单晶硅为衬底，在衬底上设置有多个固支梁桥墩，不同的固支梁桥墩上设置有不同方向的固支梁，固支梁表面覆有压电材料层，固支梁中心向内设置有质量块。其结构支撑方式：每个固支梁均由独立的两个桥墩支撑，桥墩同时起着引脚的作用。

本发明的具体实施方案中，能量收集器有3组共6个固支梁，分别为两个X向固支梁、两个Y向固支梁及两个Z向固支梁，X向固支梁与Y向固支梁相互垂直，相邻的X向与Y向固支梁之间设置一个桥墩，两个Z向固支梁相互平行，分布于X向固支梁与Y向固支梁包围范围之内，Z向固支梁共用桥墩。

固支梁桥墩负责固支梁的支撑，同时起着电路引脚的作用，每两个不同的固支梁共用一个桥墩；固支梁的中心设置有质量块，可以通过控制质量块的尺寸及质量来控制固支梁的谐振频率，同时可以加大固支梁的振幅；每个固支梁表面设有压电材料层，在固支梁接收外界激励产生形变的同时，压电材料伴随着固支梁同时发生形变，进而产生电能；为了吸收X轴以及Y轴方向的激励，X向固支梁和Y向固支梁的加工工艺为侧向工艺。由于各固支梁方向相互垂直，因此外界激励沿坐标方向传播时，固支梁将值工作在同一种工作模式下，由于激励沿X轴或Y轴传播时，能量收集器中既有固支梁工作在d33模式，也有固支梁工作在d31模式，实现了工作模式的互补，极大的提高了吸收效率。

本发明的结构如图1所示，该结构为中心对称结构因此这里只对一侧标识图例，且坐标方向定义以图1中坐标系为准。图中1表示中心质量块(每个Z向固支梁各一个)，负责增大Z向固支梁的振幅；2表示固支梁桥墩，为固定固支梁的结构，同时也是器件的电极(共6个)，所有的桥墩都是两个不同的固支梁共用的；3表示X向固支梁，法向方向为X轴；4表示X向固支梁质量块，用于增大X向固支梁的振幅，控制质量块的大小及质量可以改变X向固支梁的谐振频率，以此方便定制最终的结构，质量块同时负责连接X向固支梁与Z向固支梁；5表示Y向固支梁，法向方向为Y轴；6表示Y向固支梁质量块，用于增大Y向固支梁的振幅，控制质量块的大小及质量可以改变Y向固支梁的谐振频率，以此方便定制最终的结构；7表示Z向固支梁，方向为Y轴，法向方向为Z轴；8表示Z向压电片，伴随着Z向固支梁的位移而产生形变；9表示Y向压电片，伴随着Y向固支梁的位移而产生形变；10表示X向压电片，伴随着X向固支梁的位移而产生形变。

如图1所示：

1、在单晶硅上设置有固支梁桥墩2，多个方向的固支梁3、5、7，质量块1、4、6，压电片8、9、10。

2、固支梁桥墩2与衬底相连，负责支持整个能量收集器的支撑与固定，同时也是器件的部分引脚。

3、X向固支梁3法向方向为X轴，两侧由固支梁桥墩2固定，固支梁与衬底之间有一定的距离使固支梁悬空，固支梁中心设置有X向质量块4，固支梁外表面设置有X向压电片9；Y向固支梁5法向方向为Y轴，两侧由固支梁桥墩2固定，固支梁与衬底之间有一定的距离使固支梁悬空，固支梁中心设置有Y向质量块6，固支梁外表面设置有Y向压电片10；Z向固支梁7的方向为Y轴，法向方向为Z轴，两侧由固支梁桥墩2固定，固支梁中心设置有中心质量块1，Z向固支梁外表面设置有Z向压电片8。

4、当激励沿着X轴方向传播时，X向固支梁只以d33模式工作，Y向固支梁只以d31模式工作，Z向固支梁只以d33模式工作，各固支梁之间实现了工作模式的互补。

5、当激励沿着Y轴方向传播时，X向固支梁只以d31模式工作，Y向固支梁只以d33模式工作，Z向固支梁只以d31模式工作,各固支梁之间实现了工作模式的互补。

6、当激励沿着Z轴方向传播时，X向固支梁只以d33模式工作，Y向固支梁只以d33模式工作，Z向固支梁只以d33模式工作。

7、当激励沿着坐标方向传播时，各固支梁将在单一工作模式下工作，不会出现混合工作模式，同时固支梁之间将实现工作模式的互补。

8、当激励沿着任意方向传播时，将在能量收集器上分解为三个分量，并被相应的固支梁吸收，此时每个固支梁可能工作在单一的工作模式下，也可能工作在多种工作模式下。

9、由于梁结构均为固支梁，因此结构稳定性相比于悬臂梁更高，而且加工良品率更高。

10、通过改变质量块的尺寸、质量、材质可以改变能量收集器的谐振频率，为后期设计提供了方便。

上述互补型压电能量收集器的制备方法为：

1)准备单晶硅衬底：采用未掺杂的单晶硅作为衬底；

2)形成牺牲层：采用光刻胶作为牺牲层材料，涂上第一牺牲层，再通过淀积SiO2形成第二牺牲层，表面平面化处理后，再涂上一层光刻胶；

3)光刻：除去固支梁桥墩部分的光刻胶，显影后刻蚀固支梁桥墩部分的第二牺牲层和第一牺牲层；

4)溅射金属铜：形成固支梁桥墩，表面平面化处理后涂上光刻胶；

5)光刻：去除质量块部分的光刻胶，显影后刻蚀该部分的第二牺牲层；

6)溅射金属镍：形成质量块，表面平面化处理后涂上光刻胶；

7)光刻：去除能量收集器所占范围以外的光刻胶，显影后刻蚀该部分的第一牺牲层和第二牺牲层；

8)电镀铜：在以上工序后形成的结构表面电镀一层铜；

9)形成压电材料层：在以上工序后形成的结构表面溅射PZT-5系列压电材料；

10)淀积氮化硅：在以上工序后形成的结构上淀积一层氮化硅，以保护侧向(X向与Y向)的固支梁电镀层和压电片，淀积结束后进行表面平面化处理，然后涂上一层光刻胶，此时器件中心位置截面图如图2所示；

11)光刻：保留能量收集器所占范围内所有固支梁和压电片部分以外的光刻胶；

12)刻蚀：显影后刻蚀其他位置的氮化硅，压电材料，铜，此时器件截面图如图3所示；

13)去胶：除去剩余的光刻胶，同时腐蚀氮化硅；

14)去除牺牲层：腐蚀第二牺牲层，去除第一牺牲层；

15)除去衬底上多余的铜和压电材料。

注：能量收集器所占范围是指该能量收集器所占的那部分面积。

区分是否为本发明的结构的标准如下：

该能量收集器采用三组共6个法向方向不同的固支梁，用于吸收3个坐标方向的振动能量，固支梁中心设置质量块，用于增加固支梁的振幅，固支梁两侧设置有固支梁桥墩，用于支撑固支梁，并用作引线，两个不同的固支梁一端共用一个桥墩。法向方向为X轴与Y轴的固支梁相互垂直位于同一平面，法向方向为Z轴的固支梁与X向或Y向固支梁平行。

工作原理为：各个固支梁可以通过d33模式或者d31模式吸收振动能量，当激励沿着任意一个坐标方向传播时，各固支梁将只工作在d33或d31模式下，实现了工作模式的互补。

满足以上条件的结构即视为本发明的互补式压电能量收集器。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.互补型压电能量收集器，其特征在于，该收集器以硅为衬底，在所述硅衬底上设置有若干固支梁桥墩、若干不同方向的MEMS固支梁，每个所述固支梁桥墩均与硅衬底连接；每个所述MEMS固支梁均通过两端的固支梁桥墩固定并悬空于硅衬底的上方，其内表面的中心处设置有质量块，外表面设置有压电片；所述MEMS固支梁包括两个X向固支梁、两个Y向固支梁和两个Z向固支梁，其中，两个X向固支梁、两个Y向固支梁围成一个方形结构且压电片朝外，两个Z向固支梁位于方形结构的中心处。

2.根据权利要求1所述的互补型压电能量收集器，其特征在于，所述MEMS固支梁包括X向固支梁、Y向固支梁和Z向固支梁，其中，X向固支梁的法向方向为X轴，其内表面的中心处设置有X向质量块，外表面设置有X向压电片；Y向固支梁的法向方向为Y轴，其内表面的中心处设置有Y向质量块，外表面设置有Y向压电片；Z向固支梁的法向方向为Y轴，其内表面的中心处设置有中心质量块，外表面设置有Z向压电片。

3.如权利要求1或2任一所述的互补型压电能量收集器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)准备硅衬底；

2)在硅衬底上涂上光刻胶作为第一牺牲层，再通过淀积SiO₂形成第二牺牲层，并在表面平面化处理后再涂上一层光刻胶；

3)光刻去除固支梁桥墩部分的光刻胶，显影后刻蚀固支梁桥墩部分的第二牺牲层和第一牺牲层；

4)溅射金属铜，形成固支梁桥墩，并在表面平面化处理后涂上光刻胶；

5)光刻去除质量块部分的光刻胶，显影后刻蚀质量块部分的第二牺牲层；

6)溅射金属镍形成质量块，并在表面平面化处理后涂上光刻胶；

7)光刻去除能量收集器所占范围以外的光刻胶，显影后刻蚀该部分的第一牺牲层和第二牺牲层；

8)在步骤7)形成结构表面电镀一层铜；

9)步骤8)形成的结构表面溅射压电材料，形成压电材料层；

10)在步骤9)形成的结构上淀积一层氮化硅，并在表面平面化处理后涂上一层光刻胶；

11)光刻并保留能量收集器所占范围内所有固支梁和压电片部分以外的光刻胶；

12)刻蚀：显影后刻蚀步骤11)中所保留位置之外的其他位置的氮化硅、压电材料以及铜；

13)去除剩余的光刻胶，同时腐蚀氮化硅；

14)腐蚀第二牺牲层，去除第一牺牲层；

15)去除衬底上多余的铜和压电材料。

4.根据权利要求3所述的互补型压电能量收集器的制作方法，其特征在于，步骤1)中采用未掺杂的单晶硅作为衬底。

5.根据权利要求3所述的互补型压电能量收集器的制作方法，其特征在于，步骤9)中溅射PZT-5系列压电材料。