多方向?qū)掝l壓電mems振動能量采集器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微能源技術領域，具體涉及一種寬頻MEMS壓電振動能量采集器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]微機械加工技術、集成電路技術以及無線技術的飛速發(fā)展使得諸如微能源技術、射頻識別(RFID)、無線通訊、嵌入式系統(tǒng)等為代表的高新技術得以不斷進步，發(fā)展出了適合嚴苛工業(yè)環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡，已廣泛應用于機械、電力、船舶等領域的設備狀態(tài)監(jiān)控和造紙、化工、水處理等領域的自動化流程監(jiān)控。但是，隨著無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量越來越大，現(xiàn)代工業(yè)要求其在準確、實時和可靠地提供網(wǎng)絡監(jiān)控數(shù)據(jù)信息的同時，又要求每個網(wǎng)絡節(jié)點能夠長時間、穩(wěn)定可靠地工作，節(jié)點能源盡量少維護甚至免維護。然而，目前無線傳感器節(jié)點供電方式仍主要采用化學電池，存在能量密度較低、使用壽命有限的問題。因此，能源供給問題已成為制約無線傳感器網(wǎng)絡規(guī)模應用的主要技術瓶頸。
[0003]基于振動能量采集的微能源技術，能夠收集器件周圍環(huán)境中廣泛存在的振動能，并根據(jù)某種能量轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換成電能，從而可以代替電池等傳統(tǒng)供電方式為無線傳感器節(jié)點供電。振動能量采集方法一般有三種:壓電式、靜電式和電磁式。其中，壓電式振動能量采集器具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高、壽命長、可與MEMS加工工藝兼容等優(yōu)點，已被認為是最有希望代替電池為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電的一種方式，正受到越來越多的關注。但是，現(xiàn)階段國內(nèi)外研制的壓電振動能量采集器主要集中于采集單一方向的振動能且頻帶較窄。因此，在振動方向經(jīng)常變化或同時具備多個方向振動能(如海浪、人體運動)的應用環(huán)境中，傳統(tǒng)的單方向振動能量采集器能量采集轉(zhuǎn)換效率較低，難以提供足夠高的能量為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電。目前，多方向壓電振動能量采集器的研究還處于起步階段，相關的研究較少，且往往存在結(jié)構(gòu)復雜、尺寸較大，無法與MEMS技術兼容等問題。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，候志偉等在《振動與沖擊》(2012年第16期33頁一37頁)撰文“多方向壓電振動能量采集收集裝置及其優(yōu)化設計”。該文提出了一種立方體-球結(jié)構(gòu)的多方向振動能量采集結(jié)構(gòu)，由I個立方體形金屬框架、I個金屬質(zhì)量塊和8個相同的Rainbow型壓電換能器組成，其內(nèi)部設計成完全對稱的結(jié)構(gòu)，采用萬向柔性鉸鏈實現(xiàn)壓電換能器與金屬框架及金屬質(zhì)量塊之間的聯(lián)接。該能量采集結(jié)構(gòu)成功實現(xiàn)了不同方向振動能量的采集，環(huán)境振動方向變化對其影響較少，適用性較強。但存在結(jié)構(gòu)復雜，與MEMS制作工藝難以兼容，從而導致器件較大，實用性不強。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種多方向?qū)掝l壓電MEMS振動能量采集器及其制備方法，通過新型結(jié)構(gòu)設計解決傳統(tǒng)單方向壓電振動能量采集器在多方向振動源環(huán)境存在能量采集效率低、頻帶窄等問題，同時實現(xiàn)器件制備方法與MEMS加工技術相兼容，具有制備方法簡單、易于實現(xiàn)等特點。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
本發(fā)明涉及的多方向?qū)掝l壓電MEMS振動能量采集器，包括:基座和形成在所述基座上的多個壓電懸臂梁、微彈簧、彈簧底座、永磁鐵、軟磁鐵，其中:壓電懸臂梁在基座空腔位置均勻布置，且每個壓電懸臂梁的一端固定在基座上，另一端懸空，軟磁鐵固定于懸臂梁的懸空端;微彈簧上端與永磁鐵連接，下端固定在彈簧底座上;基座與彈簧底座通過粘接鍵合連接，微彈簧位于基座空腔中心位置，且其上永磁鐵與壓電懸臂梁上的軟磁鐵在垂直方向上保持一定距離。
[0008]所述的壓電懸臂梁包括:支撐層以及在基座上依次形成的下電極層、環(huán)氧樹脂粘接層、壓電厚膜層、上電極層。
[0009]所述的基座材料是(100)面雙面氧化的普通硅片或SOI硅片。
[0010]所述的多個壓電懸臂梁，數(shù)量為3-6個。
[0011 ]所述的微彈簧材料是Cu，或Ni，或Cr。
[0012]所述的支撐層與基座硅片為一整體，通過微加工制作，其厚度范圍為15-20μπι。
[0013]所述的壓電厚膜材料為PZT壓電陶瓷或PMN-PT壓電單晶，厚度范圍為15-20μπι。
[0014]所述的環(huán)氧樹脂粘接層材料為導電型環(huán)氧樹脂膠，厚度范圍是3-5μπι。
[0015]所述的電極層材料是Cr/Au合金，或者是Ti/Pt合金，或者是Al。
[0016]本發(fā)明涉及的上述多方向?qū)掝l壓電MEMS振動能量采集器的制備方法，包括以下步驟:
第一步，在硅片表面上采用濺射或蒸發(fā)方法制備一層金屬電極層。
[0017]所述的硅片為(100)面雙面氧化普通的硅片或SOI硅片。
[00? 8]所述的金屬電極是Cr/Au合金，或者是Ti/Pt合金，或者是Al。
[0019]第二步，采用鍵合和減薄技術在制備了電極層的硅片上制作壓電厚膜，并在壓電厚膜表面上采用濺射或蒸發(fā)方法制備一層金屬電極層。
[0020]所述的制備壓電厚膜方法，具體是:在制備了電極層的硅片表面采用絲網(wǎng)印刷方法涂覆一層環(huán)氧樹脂膠層，然后與已拋光的壓電片進行粘接鍵合，最后通過機械化學研磨拋光方法將壓電片厚度減薄至15μηι?20μηι，完成壓電厚膜的制備。
[0021]第三步，使用微加工和激光加工工藝完成壓電懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)制作。
[0022]所述的微加工和激光加工工藝制備壓電懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)方法，具體是:在完成壓電厚膜制作工藝基礎上，采用光刻、顯影技術完成器件背部S12的圖形化;然后采用濕法或干法刻蝕器件背部S12層;接著采用干法深硅刻蝕方法刻Si層至一定厚度;最后采用激光加工工藝切割器件正面，完成懸臂梁的釋放。
[0023]第四步，基于MEMS技術制備螺旋圓柱微彈簧。
[0024]所述的基于MEMS技術制備彈簧方法，具體是:在玻璃圓柱管表面濺射一層金屬種子層，并在種子層上涂覆光刻膠;然后采用立體投影曝光、顯影技術完成彈簧形狀圖形化；接著采用化學電鍍Cu、Cr或Ni作為彈簧結(jié)構(gòu)材料;最后去除光刻膠犧牲層、金屬種子層，并采用化學腐蝕方法去除玻璃圓柱管，完成微彈簧的制備。
[0025]第五步，器件組裝，焊接電導線，極化壓電片。
[0026]所述的器件組裝步驟，具體是:先將微彈簧下端與彈簧底座進行連接，并將永磁鐵安裝于彈簧上端，然后將彈簧底座與壓電懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)的基座通過粘接鍵合連接，最后在壓電懸臂梁的自由端安裝軟磁鐵，完成器件的組裝。
[0027]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
本發(fā)明合理利用微彈簧具有沿任意方向振動的特性，并借助彈簧上的永磁鐵與壓電懸臂梁上的軟磁鐵之間的磁力耦合作用，使壓電懸臂梁上下振動并具有非線性特點，從而實現(xiàn)多方向?qū)掝l振動能量的采集，大大提高了在振動方向經(jīng)常變化或同時具備多個方向振動能的應用環(huán)境中的能量采集及轉(zhuǎn)換效率，具有轉(zhuǎn)換效率高、運行頻帶寬等特點。同時，采用立體曝光等MEMS加工技術實現(xiàn)微彈簧的加工，從而使整個器件加工與MEMS工藝相兼容，因此具有制造工藝簡單、成本低，具有良好的重復性和可批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實施例1的多方向?qū)掝l壓電MEMS振動能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明實施例1的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖；
圖3為本發(fā)明實施例2的多方向?qū)掝l壓電MEMS振動能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明實施例2的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0030]實施例1
本實施例涉及的多方向?qū)掝l壓電MEMS振動能量采集器，如圖1所示，包括基座(I)和形成在所述基座上的多個壓電懸臂梁(2)、軟磁鐵(3)、永磁鐵(4)、微彈簧(5)、彈簧底座(6)，其中:4個大小一致的壓電懸臂梁(2)在基座方形空腔位置均勻布置，且每個壓電懸臂梁的一端固定在基座(I)上，另一端懸空，軟磁鐵(3)固定于壓電懸臂梁(2)的懸空端;微彈簧(5)上端與永磁鐵(4)連接，下端固定在彈簧底座(6)上;基座(I)與彈簧底座(6)通過粘接鍵合連接，微彈簧(5)位于基座(I)空腔中心位置，且其上永磁鐵(4)與壓電懸臂梁上的軟磁鐵(3)在垂直方向上保持一定距離。
[0031]所述的基座(I)材料是雙面氧化的SOI硅片。
[0032]所述的多個壓電懸臂梁(2)，數(shù)量為4個。
[0033]所述的微彈簧(5)材料為Cu。
[0034]所述的壓電懸臂梁(2)，其結(jié)構(gòu)側(cè)面圖如圖2所示，包括:支撐層以及在基座(I)上依次形成的下電極層(7)、環(huán)氧樹脂粘接層(8)、壓電厚膜層(9)、上電極層(10)。
[0035]所述的支撐層從上往下依次由上表面氧化層(11)、器件硅層(12)、和SOI硅片中間隱埋氧化層(13)組成，其中:上表面氧化層(11)和SOI中間隱埋氧化層二氧化硅(13)厚度均為2μηι，器件娃層(12)厚度為15口111。
[0036]所述的環(huán)氧樹脂粘接層(8)材料為導電型環(huán)氧樹脂膠，厚度是3μπι。
[0037]所述的壓電厚膜層(9)材料為PZT壓電陶瓷，厚度為15μπι。
[0038]所述的電極層(7)和(10)材料是Cr/Au合金。
[0039]本實施例涉及的上述多方向?qū)掝l壓電MEMS振動能量采集器的制備方法，包括以下步驟:
第一步，在硅片表面上采用濺射方法制備一層金屬電極層，作為壓電器件的下電極層。
[0040]所述的硅片為雙面氧化的SOI硅片。
[0041]所述的金屬電極是Cr/Au合金，厚度為0.15μηι。
[0042]第二步，采用鍵合和減薄技術制作厚度為15μπι左右的壓電厚膜，并在其表面上制備壓電厚膜上電極層。
[0043]所述的制備壓電厚膜方法，具體是:在制備了電極層的SOI硅片表面采用絲網(wǎng)印刷方法涂覆一層厚度為3μπι左右的環(huán)氧樹脂膠層，然后將厚度為400μπι的壓電體材PZT陶瓷片與SOI硅片進行粘接鍵合，最后通過機械化學研磨拋光方法將壓電體材PZT陶瓷片厚度減薄至15μπι，完成壓電厚膜的制備。
[0044]所述的金屬電極層為Cr/Au合金，厚度為0.15μηι。
[0045]第三步，使用微加工和激光加工工藝制作壓電懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)。<