專利名稱：基于pmnt壓電單晶的mems寬頻振動能量采集器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是ー種能源技術(shù)領(lǐng)域的器件，具體是ー種基于PMNT壓電單晶的 MEMS寬頻能量采集器及制備方法。
背景技術(shù)：
隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)、各類植入式傳感器等研究的不斷深入，對其供電電源提出新的要求和挑戰(zhàn)。微型壓電式振動能量采集器，作為ー種無需更換、無人看管的新型自我維持微能源，由于可以把器件所處的環(huán)境振動通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能而為各種低功耗微型電子器件供電，正受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界越來越多的關(guān)注。目前，采用MEMS技術(shù)制備的壓電能量采集器，大部分是在硅材料基底沉積制備ー 層PZT薄膜以及作為電極的金屬材料復(fù)合而成的多層懸臂梁結(jié)構(gòu)。但比較成熟的PZT薄膜制備技木，比如sol-gel法，制備的厚度被限制在2μπι以內(nèi)，這將限制器件的輸出性能。 如何提高M(jìn)EMS能量采集器的輸出性能以使其能夠滿足實(shí)際應(yīng)用一直是科研人員追求的目標(biāo)。新型壓電單晶材料PMNT (xPb (Mgl73Nb273) O3-(l-χ)PbTiO3)，其壓電性能比傳統(tǒng)的 PZT壓電陶瓷高出10倍，由于具有優(yōu)異的壓電性能，使得它可以替代傳統(tǒng)的壓電陶瓷，在聲探測、超聲成像、高應(yīng)變驅(qū)動器、能量采集等轉(zhuǎn)換器件上得到廣泛應(yīng)用。另外，MEMS技術(shù)研制的壓電能量采集器的輸出功率與外部環(huán)境振動頻率密切相關(guān)，當(dāng)壓電能量采集器的固有頻率與外部環(huán)境振動頻率相同時，發(fā)生共振現(xiàn)象并得到最大輸出功率，但是，當(dāng)壓電能量采集器的固有頻率偏離外部振動頻率時，輸出的功率將不斷減少。因此，在寬頻范圍內(nèi)的能量采集技術(shù)是當(dāng)前MEMS能量采集技術(shù)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)和難題。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Chengliang Sun, Lifeng Qin等在《Journal of Intelligent Material Systems and Structures)) 20 (2009)撰文“PiezoelectricEnergy Harvesting using Single Crystal Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-XPbTiO3 (PMN-PT) Device”(“采用 PMN-PT制備的壓電能量采集器”《智能材料與結(jié)構(gòu)期刊》)。該文中提及到的MEMS壓電能量采集器，是采用壓電性能較好的PMN-PT單晶材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PZT陶瓷材料制備的懸臂梁宏觀器件，這種形式雖可獲得較大的輸出功率，但器件較大且未解決寬頻問題，實(shí)用性不強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器及制備方法，使壓電換能元件在低頻振動環(huán)境下獲得較大的輸出功率，以解決傳統(tǒng)的MEMS壓電能量采集器輸出功率低、工作頻帶窄等問題。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于PMNT壓電單晶的寬頻能量采集器，是ー種將彎曲振動機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的壓電器件，包括硅固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層以及質(zhì)量塊，其中，所述硅固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層依次貼合形成多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)的一端懸空，所述質(zhì)量塊固定在所述多層結(jié)構(gòu)的自由端上。所述的支撐層為柔性較好的碳纖維或玻璃纖維薄膜。所述的支撐層與硅固定基座是通過環(huán)氧樹脂結(jié)合。所述的PMNT壓電薄膜層，其表面覆蓋電極層。所述的電極層為Cr、Ni、CrAu合金或TiPt合金制成。所述的PMNT壓電薄膜層，是在支撐層上先通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂鍵合PMNT壓電單晶， 再減薄PMNT制成。所述的質(zhì)量塊為裝滿液體的容器。所述的容器是指采用MEMS方法制備的空心容器。所述的液體為室溫下液體的金屬如水銀、銅鎵。本發(fā)明涉及的上述基于PMNT壓電單晶的寬頻MEMS能量采集器的制備方法，包括以下步驟第一歩，將支撐層粘接于硅固定基座上；所述的支撐層粘接于硅固定基座上，具體是將支撐層通過環(huán)氧樹脂粘接在硅固定基座上，其中，硅固定基座是指雙面拋光并且表面熱氧化ー層ニ氧化硅的硅片。第二歩，在支撐層上通過鍵合和減薄方法制備PMNT壓電薄膜；所述的制備PMNT壓電薄膜方法，具體是在制備的硅基支撐層上，將單面拋光的體材PMNT壓電材料，通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂粘貼在支撐層上，然后通過化學(xué)機(jī)械研磨拋光方法將PMNT壓電片厚度減薄至所需的厚度，如5 μ m-30 μ m。第三歩，在PMNT壓電薄膜表面上制備電極；所述的制備電極方法，是指采用liftoff方法或先濺射后采用離子銑刻蝕圖形化電極。第四歩，制備質(zhì)量塊；所述的制備質(zhì)量塊方法，具體是采用SU8膠，通過光刻、顯影等MEMSエ藝制備空心容器，并在容器中注入液態(tài)金屬。第五步，采用切片機(jī)切割圖形化PMNT壓電薄膜；所述的切片機(jī)切割PMNT壓電薄膜，可指根據(jù)需要，切成不同形狀。第六歩，使用微加工エ藝制備壓電能量采集器結(jié)構(gòu)；所述的微加工エ藝包括光刻、顯影、濕法ニ氧化硅刻蝕、濕法體硅加工、XeF2干法刻蝕或DRIE等。 第七歩，焊接電導(dǎo)線，極化壓電片。所述PMNT壓電片電極極化，是沿厚度方向。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用壓電性能較好的PMNT單晶作為壓電材料，并用鍵合和減薄方法制備高性能的PMNT壓電薄膜，其厚度可控制在所要求的范圍內(nèi)，從而可使制備的能量采集器在低頻環(huán)境下獲得較高的輸出特性，此外，器件結(jié)構(gòu)采用的質(zhì)量塊是盛滿液體的容器，使其在振動環(huán)境下，能有效地改變懸臂梁的等效質(zhì)量，從而可改變器件的固有頻率而與環(huán)境頻率匹配。因此，制備的器件可在較寬的環(huán)境振動頻率范圍內(nèi)輸出較大穩(wěn)定的功率。


圖1是實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是實(shí)施例ニ的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例一如圖1所示，本實(shí)施例壓電能量采集器包括硅固定基座、支撐層、PMNT 壓電薄膜層和質(zhì)量塊，其中=I-SiO2層，2-Si層，3-環(huán)氧樹脂層，4-支撐層，5-導(dǎo)電環(huán)氧樹脂層，6-PMNT壓電薄膜層，7-液體，8-電極層，9-容器。所述的硅固定基座，是由Si層2和其上的氧化物SW2層1組成；所述的質(zhì)量塊，是由液體層7和容器9組成；所述的液體層7，是指液體水銀；所述的容器9，是指SU8膠エ藝制備的方形容器。所述的支撐層4，是指厚度為15 μ m的碳纖維；所述的壓電薄膜6，是指厚度為10 μ m的PMNT壓電薄膜層；所述的電極層8是Cr/Au合金，其厚度為0. 20 μ m。本實(shí)施例通過以下步驟進(jìn)行制備第一歩，將碳纖維支撐層4粘接在硅固定基座上；所述的粘接方法，具體是將厚度為15 μ m的碳纖維支撐層4通過環(huán)氧樹脂3鍵合在厚度為500 μ m的雙面拋光氧化的硅基片上，然后在貼合的硅片/碳纖維上施加0. IMpa 的壓カ后放入真空烘箱進(jìn)行加溫固化。固化分為兩個階段，1、50°C溫度下2小時；2、105°C 溫度下3小吋。第二歩，在支撐層4上通過鍵合和減薄方法制備PMNT壓電薄膜6 ；所述的鍵合方法，具體是在制備的硅基碳纖維支撐層4上，將單面拋光的體材 PMNT壓電材料，通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂5鍵合在碳纖維支撐層4上。所述的減薄方法，具體是將與硅片鍵合好的厚度為500 μ m的PMNT壓電單晶，依次采用顆粒為W28、W14、W7的金剛砂進(jìn)行研磨，最后采用粒度為0. 5μπι的金剛石拋光膏進(jìn)行拋光，減薄后的PMNT厚度為10 μ m。第三歩，在PMNT壓電薄膜表面上制備電極8 ；所述的制備電極方法，具體是先在制備好的壓電薄膜上，甩正膠15 μ m，再通過光刻、顯影技術(shù)圖形化光刻膠。然后在圖形化的光刻膠表面上濺射ー層0. 20μπι的Cr/Au 層，最后使用丙酮將光刻膠去棹，實(shí)現(xiàn)1 iftoffエ藝制備電扱。第四歩，使用SU8膠等エ藝制備微容器9，并注入水銀7密封制作質(zhì)量塊；所述的SU8膠エ藝制備微容器的技木，具體是在潔凈的硅片上濺射鈦膜作為種子層，然后對鈦膜進(jìn)行氧化處理以改善基底與SU8膠的結(jié)合力，在鈦膜上以600轉(zhuǎn)/分鐘的速度SU8-500光刻膠30秒，得到膠厚度約為500 μ m，光刻、顯影得到矩形質(zhì)量塊空腔。第五步，采用切片機(jī)切割圖形化已制備的硅/碳纖維/PMNT薄膜等多層結(jié)構(gòu)；所述的切片機(jī)切割圖形化多層結(jié)構(gòu)，是指切割成多個矩形，切片機(jī)中切片刀厚度為300 μ m,且切削深度為50 μ m左右。第六歩，使用微加工エ藝制備壓電能量采集器結(jié)構(gòu)；所述的微加工エ藝，具體是通過光刻、顯影等エ藝，采用濕法刻蝕SiO2,在正膠的掩蔽作用下，光刻圖形處SW2將被HF酸腐蝕；腐蝕SiO2后，采用KOH溶液濕法刻蝕硅，刻蝕至20 μ m厚的硅膜時停止刻蝕；最后，采用XeF2干法刻蝕硅，使壓電能量采集器一端固定，
ヵー端思空。第七歩，焊接電導(dǎo)線，極化壓電片。所述的極化壓電片，具體是在引出的電導(dǎo)線兩端，加直流電壓20V，保持15分鐘。實(shí)施例ニ 如圖2所示，本實(shí)施例壓電能量采集器包括硅固定基座、支撐層、PMNT 壓電薄膜層和質(zhì)量塊，其中=I-SiO2層，2-Si層，3-環(huán)氧樹脂層，4-支撐層，5-導(dǎo)電環(huán)氧樹脂層，6-PMNT壓電薄膜層，7-液體，8-電極層，9-容器。所述的硅固定基座，是由Si層2和其上的氧化物SW2層1組成；所述的質(zhì)量塊，是由液體層7和容器9組成；所述的液體層7，是指液體水銀；所述的容器9，是指SU8膠エ藝制備的方形容器。所述的支撐層4，是指厚度為20 μ m的玻璃纖維；所述的壓電薄膜6，是指厚度為15 μ m的PMNT壓電薄膜層；所述的電極層8是Ti/Pt合金，其厚度為0. 15 μ m。本實(shí)施例通過以下步驟進(jìn)行制備第一歩，將玻璃纖維支撐層4粘接在硅固定基座上，并在其上表面濺射ー層電極 8 ；所述的粘接方法，具體是將厚度為20 μ m的玻璃纖維支撐層4通過環(huán)氧樹脂3 鍵合在厚度為500 μ m的雙面拋光氧化的硅基片上，然后在貼合的硅片/玻璃纖維上施加 0. IMpa的壓カ后放入真空烘箱進(jìn)行加溫固化。固化分為兩個階段，1、50°C溫度下2小時； 2、105°C溫度下3小時。第二歩，在支撐層4上通過鍵合和減薄方法制備PMNT壓電薄膜6 ；所述的鍵合方法，具體是在制備的硅基玻璃纖維支撐層4上，將單面拋光的體材 PMNT壓電材料，通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂5鍵合在玻璃纖維支撐層4上。所述的減薄方法，具體是將與硅片鍵合好的厚度為500 μ m的PMNT壓電單晶，依次采用顆粒為W28、W14、W7的金剛砂進(jìn)行研磨，最后采用粒度為0. 5μπι的金剛石拋光膏進(jìn)行拋光，減薄后的PMNT厚度為15 μ m。第三歩，在PMNT壓電薄膜表面上制備電極8 ；所述的制備電極方法，具體是先在制備好的壓電薄膜上，甩正膠15 μ m,再通過光刻、顯影技術(shù)圖形化光刻膠。然后在圖形化的光刻膠表面上濺射ー層0. 15μπι的Ti/Pt 層，最后使用丙酮將光刻膠去棹，實(shí)現(xiàn)1 iftoffエ藝制備電扱。第四歩，使用SU8膠等ェ藝制備微容器9，并注入水銀7密封制作質(zhì)量塊；
所述的SU8膠エ藝制備微容器的技木，具體是在潔凈的硅片上濺射鈦膜作為種子層，然后對鈦膜進(jìn)行氧化處理以改善基底與SU8膠的結(jié)合力，在鈦膜上以600轉(zhuǎn)/分鐘的速度SU8-500光刻膠30秒，得到膠厚度約為500 μ m，光刻、顯影得到矩形質(zhì)量塊空腔。第五步，采用切片機(jī)切割圖形化已制備的硅/玻璃纖維/PMNT薄膜等多層結(jié)構(gòu)；所述的切片機(jī)切割圖形化多層結(jié)構(gòu)，是指切割成多個矩形，切片機(jī)中切片刀厚度為200 μ m,且切削深度為45 μ m左右。第六歩，使用微加工エ藝制備壓電能量采集器結(jié)構(gòu)；所述的微加工エ藝，具體是通過光刻、顯影等エ藝，采用濕法刻蝕SiO2,在正膠的掩蔽作用下，光刻圖形處SW2將被HF酸腐蝕；腐蝕SiO2后，采用KOH溶液濕法刻蝕硅，刻蝕至15 μ m厚的硅膜時停止刻蝕；最后，采用DRIE干法刻蝕硅，使壓電能量采集器一端固定，
另一端懸空。第七歩，焊接電導(dǎo)線，極化壓電片。所述的極化壓電片，具體是在引出的電導(dǎo)線兩端，加直流電壓20V，保持15分鐘。本發(fā)明采用壓電性能較好的PMNT單晶作為壓電材料，并用鍵合和減薄方法制備高性能的PMNT壓電薄膜，能夠有效地提高器件的輸出特性，從而提高轉(zhuǎn)換效率；同時，采用固定在懸臂梁端部的裝滿液體的微容器，可實(shí)時有效地改變器件在振動環(huán)境下的固有頻率，使其更有效地匹配環(huán)境的振動頻率，從而使器件在較寬頻率范圍的振動環(huán)境中獲得穩(wěn)定的輸出。
權(quán)利要求
1.一種基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，包括娃固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層和質(zhì)量塊，其中，所述硅固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層依次貼合形成多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)的一端懸空，所述的質(zhì)量塊固定在所述多層結(jié)構(gòu)的自由端上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，所述的支撐層為碳纖維或玻璃纖維薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，所述的PMNT壓電薄膜層，其表面覆蓋電極層，其中，電極層為Cr、Ni、CrAu合金或TiPt 合金制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，所述的PMNT壓電薄膜層，是在支撐層上先通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂鍵合PMNT壓電單晶，再減薄PMNT制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，所述的質(zhì)量塊為裝滿液體的容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，所述的容器是指采用MEMS方法制備的空心容器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，所述的液體為室溫下液體金屬。
8.一種根據(jù)上述任ー權(quán)利要求所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器的制備方法，其特征在干，包括以下步驟第一歩，支撐層與硅固定基座的鍵合。第二歩，在支撐層上通過鍵合和減薄方法制備PMNT壓電薄膜。第三歩，在PMNT壓電薄膜表面上制備電扱。第四歩，制備質(zhì)量塊。第五步，采用切片機(jī)切割圖形化PMNT壓電薄膜。第六歩，使用微加工ェ藝制備壓電能量采集器結(jié)構(gòu)。第七歩，焊接電導(dǎo)線，極化壓電片。
全文摘要
一種基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，是一種將彎曲振動機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的壓電器件，包括硅固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層和質(zhì)量塊，其中，硅固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層依次貼合形成多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)的一端懸空，所述質(zhì)量塊固定在所述多層結(jié)構(gòu)的自由端上。本發(fā)明采用壓電性能較好的PMNT單晶作為壓電材料，并用鍵合和減薄方法制備高性能的PMNT壓電薄膜，能夠有效地提高器件的輸出特性，從而提高轉(zhuǎn)換效率；同時，采用固定在懸臂梁端部的裝滿液體的微容器，可實(shí)時有效地改變器件在振動環(huán)境下的固有頻率，使其更有效地匹配環(huán)境的振動頻率，從而使器件在較寬頻率范圍的振動環(huán)境中獲得穩(wěn)定的輸出。
文檔編號H01L41/083GK102544349SQ20111044663
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者劉景全, 唐剛, 杉山進(jìn), 楊斌, 楊春生 申請人:上海交通大學(xué)