壓電-摩擦電復(fù)合式mems寬頻能量采集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于微能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓電-摩擦電復(fù)合式MEMS寬頻能量采集器。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,簡稱WSN)是由低成本、密集型、隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和短程無線通信模塊的微小節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。借助節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器對所在周邊環(huán)境信號進行感知、采集和監(jiān)測，最終對我們生活的物理世界實現(xiàn)全方位的監(jiān)測與控制。低功耗、體積小的無線傳感器節(jié)點是WSN的基本組成部分，通常由普通化學(xué)電池供電。但是，考慮到這些傳感器自身攜帶的電池能量壽命有限且數(shù)量眾多，并可能安裝于某些人類難以接近的應(yīng)用場景(如結(jié)構(gòu)健康檢測、醫(yī)療植入式器件等)，使得定期更換電池、再次充電非常困難甚至無法實現(xiàn)。
[0003]目前，環(huán)境振動能量采集技術(shù)特別是壓電式能量采集器是解決以上問題的有效方法之一。但是，現(xiàn)階段國內(nèi)外研制的微型振動能量采集器主要集中在單一轉(zhuǎn)換機制，即設(shè)計的結(jié)構(gòu)只基于一種俘能機理，這極大地限制了器件的能量采集轉(zhuǎn)換效率，使其難以提供足夠高的能量為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電。因此，如何改善和提高器件的能量轉(zhuǎn)換效率和輸出性能是微型壓電振動能量采集器得以實際應(yīng)用的關(guān)鍵問題，也是目前研究和關(guān)注的熱點。通過設(shè)計新穎的結(jié)構(gòu)將壓電和電磁、靜電或其他形式的轉(zhuǎn)換機制集成在一起同時進行復(fù)合式能量采集是提高振動能量轉(zhuǎn)換效率的一種有效方法。然而，迄今為止關(guān)于復(fù)合式能量采集器方面的研究仍極為有限，這是因為把兩種能量轉(zhuǎn)換機制集成于同一器件將面臨更大的挑戰(zhàn)。這種器件含有更多的功能和結(jié)構(gòu)層，如何實現(xiàn)各功能和結(jié)構(gòu)層在制備過程中相互兼容是至關(guān)重要的問題。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Bin Yang，Chengkuo Lee等在《Journal ofMicro-Nanolithography MEMS and M0EMS》9 (2010)撰文“Hybrid energy harvesterbased on piezoelectric and electromagnetic mechanisms，，( ‘‘壓電一電石茲復(fù)合式會^量采集器”《微納米光刻MEMS和M0EMS期刊》)。該文中提及到的復(fù)合式能量采集器，壓電機制和電磁機制最大輸出功率分別為176PW和0.19μψ,由于電磁和電容轉(zhuǎn)換方式對耦合機制的貢獻較少，能量采集的效率仍較低，且存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、MEMS工藝制備困難等問題。Xingzhao Wang 等在((The 28th IEEE Internat1nal Conference on Micro ElectroMechanical Systems》 (2015) 撰文“Flexible triboelectric and piezoelectriccoupling nanogenerator based on electrospinning P(VDF-TRFE) Nanowires，，(“基于靜電紡絲P(VDF-TRFE)納米線的柔性摩擦電-壓電復(fù)合納米能量采集器”《第28屆微機電系統(tǒng)國際會議》)。文中采用柔性PVDF壓電材料與摩擦微結(jié)構(gòu)通過疊層組裝工藝而成，PVDF較低的壓電性能限制了器件的輸出，而疊層組裝工藝與MEMS工藝難以兼容，從而導(dǎo)致器件較大，實用性不強?！緦嵱眯滦蛢?nèi)容】
[0005]本實用新型目的之一在于為解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種壓電-摩擦電復(fù)合式MEMS寬頻能量采集器，使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、頻帶窄等問題。
[0006]本實用新型提供的一種壓電-摩擦電復(fù)合式MEMS寬頻能量采集器包括:壓電能量采集器主結(jié)構(gòu)、阻擋塊及墊片；
[0007]所述壓電能量采集器主結(jié)構(gòu)包括:硅固定基座、第一硅基壓電懸臂梁、第二硅基壓電懸臂梁、第一質(zhì)量塊及第二質(zhì)量塊；
[0008]所述娃固定基座包括:第一娃層及位于所述第一娃層兩側(cè)的二氧化娃層；
[0009]所述第一硅基壓電懸臂梁及第二硅基壓電懸臂梁都包括:硅懸臂梁支撐層及附于所述硅懸臂梁支撐層上的壓電厚膜層；所述硅懸臂梁支撐層包括第二硅層、所述第二硅層上、下表面的二氧化硅層及所述第二硅層上表面二氧化硅層上的支撐層電極層；所述壓電厚膜層包括壓電厚膜及所述壓電厚厚膜表面的電極層；
[0010]所述第一質(zhì)量塊及第二質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)相同，包括:集成硅質(zhì)量塊及附于其表面的摩擦層；
[0011]所述阻擋塊包括:摩擦層基座、電極層及摩擦層；
[0012]所述墊片位于所述硅固定基座和阻擋塊之間。
[0013]進一步的，所述第一硅基壓電懸臂梁中間開槽，所述第二硅基壓電懸臂梁位于所述開槽內(nèi)；所述第一硅基壓電懸臂梁一端固定在所述硅固定基座上，且另一端為懸空的自由端并與所述第一質(zhì)量塊固定連接，所述第二硅基壓電懸臂梁的固定端為所述第一硅基壓電懸臂梁的自由端，且另一端懸空并與所述第二質(zhì)量塊固定連接。
[0014]進一步的，所述第一硅基壓電懸臂梁及第二硅基壓電懸臂梁形狀為矩形或梯形。
[0015]進一步的，所述壓電厚膜的材料為PZT陶瓷或PMNT壓電單晶。
[0016]進一步的，所述壓電厚膜電極層及支撐層電極層由Al、Ag、CrAu合金或TiPt合金其中的一種制成。
[0017]進一步的，所述壓電厚膜層與硅懸臂梁支撐層通過粘貼膠層實現(xiàn)粘貼鍵合。
[0018]進一步的，所述粘貼膠層為導(dǎo)電環(huán)氧樹脂。
[0019]進一步的，所述的阻擋塊上的電極層由CrAu合金制成。
[0020]進一步的，所述質(zhì)量塊的摩擦層為表面附有CrAu合金電極層的SU8膠微柱或硅微坑結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的阻擋塊的摩擦層為PI膜或PDMS薄膜；或者，
[0021]質(zhì)量塊摩擦層為PI或PDMS薄膜，相應(yīng)的阻擋塊摩擦層為表面附有CrAu合金電極層的SU8膠微柱或硅微坑結(jié)構(gòu)。
[0022]本實用新型還提供了一種壓電-摩擦電復(fù)合式MEMS寬頻能量采集器制備方法，包括如下步驟:
[0023]S1:利用鍵合和減薄技術(shù)在硅片上制備壓電厚膜，并制作壓電厚膜表面的壓電厚膜電極層；
[0024]所述硅片是指上下表面雙面拋光且表面熱氧化一層二氧化硅的SOI硅片。
[0025]所述的利用鍵合和減薄技術(shù)制備壓電厚膜的步驟，具體包括:將單面拋光的壓電體材通過環(huán)氧鍵合技術(shù)與所述硅片結(jié)合，或在所述壓電體材拋光面和所述硅片表面沉積一層電極層后，通過共晶鍵合技術(shù)將所述壓電體材與所述硅片結(jié)合；然后通過機械研磨、拋光方法減薄壓電體材，制備出厚度為10Mm-30Mm的壓電厚膜；
[0026]所述制作壓電厚膜上、下表面覆蓋的壓電厚膜電極層的具體步驟為:采用1 iftoff方法或先沉積后采用離子銑刻蝕圖形化電極。
[0027]S2:利用微加工工藝加工壓電能量采集器主結(jié)構(gòu)的正面，所述微加工工藝包括:光刻、顯影、濕法Si02刻蝕、壓電厚膜刻蝕及體硅加工。
[0028]S3:在所述壓電能量采集器主結(jié)構(gòu)的背部制備摩擦層，具體包括如下步驟:
[0029]先在所述壓電能量采集器主結(jié)構(gòu)的背部二氧化硅層上沉積一層電極層，然后在該電機層上面采用SU8膠工藝制備微柱摩擦層，并在微柱摩擦層上沉積一層電極層；
[0030]或者，采用機械切割并結(jié)合濕法硅刻蝕方法制備硅微坑結(jié)構(gòu)并在該結(jié)構(gòu)上沉積一層電極層；
[0031]或者，采用甩膠方法制備一層PDMS或PI膜；
[0032]S4:在所述壓電能量采集器主結(jié)構(gòu)的背部進行微加工，釋放硅基壓電懸臂梁，具體包括如下步驟:
[0033]先采用濕法腐蝕或干法刻蝕方法圖形化背部電極層及二氧化硅，然后采用DRIE深硅刻