CN102185097A - 压电叠堆式mems振动能量采集器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种微机电系统技术领域的压电叠堆式MEMS振动能量采集器及其制备方法，该采集器包括：硅固定基座、压电叠堆片和质量块，压电叠堆片的一端固定在硅固定基座上且另一端悬空并与质量块固定连接。本发明通过采用压电叠堆式结构，大大提高了换能元件的能量转换效率，解决了传统的MEMS压电能量采集器输出功率低问题，且详细地给出其制备方法，制备方法简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置及方法，具体是一种压电叠堆式MEMS振动能量采集器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着无线通讯与MEMS(微机电系统)技术的不断进步，使得微电子设备和微传感器等微型系统应用范围不断扩大。由大量无处不在的、具有通信与计算能力的微小传感器节点，以无线通信的方式构成，并能够根据环境需求自主完成指定任务的无线传感器网络在军事、工业、家居、环境等诸多领域有着广泛的应用前景。
当前，在无线传感节点等微器件的电能供给上，依然采取着传统的供能方式，即利用电池作为主要的能量供应装置。然而，由于无线传感器网络节点一般是静止不动的，随着网络分布的广泛，构成无线传感网络的微器件数目越来越庞大，而且有些微器件的工作位置处在野外恶劣环境中，难以再触及，显然，电池供电方式越来越难于满足要求。因此，为了延长电池寿命和减少电子元件体积，人们开始致力于从电子元件周围环境中吸取能量并转化为电能方法来代替电池对无线传感器等微器件进行永久供电的研究。
目前，环境振动能量采集技术是解决以上问题的有效方法。以压电材料的压电效应作为换能基础设计制作的微型压电发电装置因具备体积小，能量密度高，寿命长，可与MEMS加工工艺兼容等优点，因而获得了广泛的关注。
利用MEMS技术研制的压电式振动能量收集器，常用的结构是自由端部附加一集中质量块的悬臂梁结构，该悬臂梁结构一般是由支撑层和附于其上的一层压电薄膜或厚膜组成的复合结构。目前完全集成制造的MEMS压电式振动能量收集器，只包含一层压电材料的单晶片结构，还难以满足低功耗器件应用的需求，究其原因，是由于压电发电机是典型的电容性器件，具有高电压、低电流的输出特性，其产生的电能相对较小，不能直接为大部分电路提供驱动能量。
经对现有技术文献的检索发现，王光庆等在《中国机械工程》20(2009)2298-2304撰文“压电叠堆式发电装置的建模与仿真分析”。该文中提及到的利用压电叠堆研制一种压电能量采集器，其结构由压电叠堆、激振杆、球铰、预压弹簧等构成，与传统的压电发电装置相比，由于压电层的增加，可显著提高机电转换效率和能量转换密度，能够输出较大的电功率。但是，用这种方法制作的压电能量采集器，其结构尺寸较大，制造过程比较复杂，且属于非MEMS器件，不适合应用于为无线传感器等微系统供电。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种压电叠堆式MEMS振动能量采集器及其制备方法，采用压电叠堆式结构，大大提高了换能元件的能量转换效率，解决了传统的MEMS压电能量采集器输出功率低问题，且详细地给出其制备方法，制备方法简单，易于实现。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种压电叠堆式MEMS振动能量采集器，包括：硅固定基座、压电叠堆片和质量块，其中：压电叠堆片的一端固定在硅固定基座上且另一端悬空并与质量块固定连接。
所述的硅固定基座由硅片及设置于硅片两侧的二氧化硅层构成。
所述的压电叠堆片和质量块具体通过环氧树脂实现粘贴。
所述的质量块为镍金属块或钨金属块。
所述的压电叠堆片包括：基片以及附于基片上的压电薄膜层和电极层，其中：压电薄膜层为两层或以上，电极层覆盖于每一层压电薄膜层的上、下表面，压电薄膜层和电极层之间由环氧树脂胶层实现机械串联方式粘贴，相邻的压电薄膜层的极化方向相反且为并联电连接。
所述的基片是指：电镀于硅固定基座表面的金属层。
所述的电极层为Cr、Ni、NiCr合金、CrCu合金或TiPt合金制成。
本发明涉及的上述压电叠堆式MEMS振动能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
第一步，对压电陶瓷片进行单面抛光，并在陶瓷抛光面上溅射或蒸发一层金属电极。
所述的金属电极是是Cr，或者是Ni，或者是NiCr合金，或者是Cr/Cu合金，或者是Ti/Pt合金。
第二步，通过键合和减薄处理在基片上制备压电叠堆片。
所述的基片是指电镀附于硅片上的金属片。
所述的制备压电叠堆片方法，具体是：将单面抛光、上完电极的压电陶瓷片，通过环氧树脂胶粘贴在基片上，然后通过机械化学研磨抛光方法将压电陶瓷片厚度减薄至5μm～10μm，接着在压电陶瓷片减薄面上溅射或蒸发一层金属电极层，制成压电薄膜；重复上述步骤若干次，完成压电叠堆片的制作。
第三步，使用微加工工艺制备压电能量采集器结构。
所述的微加工工艺包括光刻、显影、湿法SiO2刻蚀、湿法体硅加工、湿法压电陶瓷刻蚀、离子铣刻蚀等。
第四步，采用SU8胶工艺制备质量块，并使用胶粘贴方法使压电能量采集器的悬空端粘有一个质量块。
所述的SU8胶工艺是基于UV-LIGA(UltraViolet-Lithographie，Galanoformung，Abformung，紫外-光刻、电铸和注塑)技术，包括：光刻、显影和电铸。
第五步，焊接电导线，并沿着厚度方向极化压电片。
所述的极化是采用并联方式，使压电叠层相邻片的电极极化方向相反。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：压电叠堆式MEMS能量采集器的转换效率明显提高，从而获得较高的输出功率，且其制备方法简单可靠，能与微加工工艺集成加工，在无线传感器网络节点的设计和制作中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：硅固定基座1、压电叠堆片2和质量块3，其中：压电叠堆片2的一端固定在硅固定基座1上且另一端悬空并与质量块3固定连接。
所述的硅固定基座1由硅片4及设置于硅片4两侧的二氧化硅层5构成。
所述的压电叠堆片2和质量块3具体通过环氧树脂实现粘贴。
所述的质量块3为镍金属块或钨金属块。
所述的压电叠堆片2包括：基片6以及附于基片6上的压电薄膜层7和电极层8，其中：压电薄膜层7为两层或以上，电极层8覆盖于每一层压电薄膜层7的上、下表面，压电薄膜层7和电极层8之间由环氧树脂胶层9实现机械串联方式粘贴，相邻的压电薄膜层7的极化方向相反且为并联电连接。
所述的基片是镍金属片，厚度为10μm。
所述的压电薄膜层是压电陶瓷薄膜，每层厚度是5μm。
所述的压电薄膜层，其相邻层的极化方向相反，层与层之间电学上采用并联方式连接。
所述的环氧树脂胶层，厚度是2μm。
所述的电极是Ti/Pt合金。
本实施例涉及的上述压电叠堆式MEMS振动能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
第一步，压电陶瓷片单面抛光、在抛光面溅射一层金属电极。
所述的压电陶瓷片是两片大小不同的矩形片，其长度为24mm，厚度为400μm，宽度分别为1.5mm和2mm。
所述的金属电极是Ti/Pt合金，厚度为0.20μm。
第二步，通过键合和减薄等方法在基片上制备压电叠堆片。
所述的基片是指电镀附于硅片上的镍金属片(包括种子层0.14μm厚Cr\Cu层)，其厚度为10μm。
所述的制备压电叠堆片方法，具体是：将单面抛光、上完电极宽度为2mm的压电陶瓷片，在溅射电极面丝网印刷涂覆环氧树脂胶，并粘贴在硅基片上，然后通过机械化学研磨抛光方法将压电陶瓷片厚度减薄至5μm，接着在压电陶瓷片减薄面上溅射一层厚度为0.20μm Ti/Pt合金金属电极层，完成第1层压电薄膜的制备，再在制备的第1层压电薄膜上，用环氧树脂粘贴宽度为1.7mm的第二片陶瓷片，并使他们在宽度方向上一端对齐，重复以上过程过程，制备第2层压电薄膜，即可完成压电叠堆片的制作。
第三步，使用微加工工艺制备压电能量采集器结构。
所述的微加工工艺，具体是：通过光刻、显影等工艺，图形化压电陶瓷片，然后采用湿法刻蚀压电陶瓷以暴露电极，刻蚀液成分和质量比为(40％的NH4F∶HF＝1∶5)BHF∶HCl∶H2O＝1∶25∶74，刻蚀至露出下电极为止。接着通过光刻、显影工艺，图形化粘贴好压电叠堆片硅片的下表面，然后采用湿法刻蚀SiO2，在正胶的掩蔽作用下，光刻图形处SiO2将被HF酸腐蚀；腐蚀SiO2后，采用KOH溶液湿法刻蚀硅，刻蚀至10μm厚的硅膜时停止刻蚀；接着采用RIE干法刻蚀完硅膜；最后，使用切片机切割，切成所需的压电叠堆片，使压电叠堆片一端固定，另一端悬空。
第四步，采用SU8胶工艺制备质量块，并使用胶粘贴方法使压电能量采集器的悬空端粘有一个质量块。
所述的SU8胶工艺是基于UV-LIGA技术，具体是：在洁净的硅片上溅射钛膜作为种子层，然后对钛膜进行氧化处理以改善基底与SU8胶的结合力，在钛膜上以600转/分钟的速度SU8-500光刻胶30秒，得到胶厚度约为500μm，光刻、显影得到矩形质量块空腔，接着电铸Ni质量块，电铸之前将SU8胶模具在RIE(反应离子刻蚀机)机器中用O2离子轰击2-3分钟，浸入镍电铸液中，连续电铸70h，最后去除SU8胶，用稀释的HF酸去除钛牺牲层，得到所需的镍金属块。
所述的胶粘贴方法，具体是：通过丝网印刷法将厚度小于2μm的环氧树脂胶涂在镍金属块上，进而使镍金属块粘贴在压电双晶片的悬空端，随后将粘有镍金属块的压电双晶片在50℃温度下固化1小时，随后在100℃温度下固化3小时。
第五步，焊接电导线，并沿着厚度方向极化压电片。
所述的极化是采用并联方式，使压电叠层相邻片的电极极化方向相反。
实施例2
如图2所示，本实施例包括：硅固定基座1、压电叠堆片2和质量块3，其中：压电叠堆片2的一端固定在硅固定基座1上且另一端悬空并与质量块3固定连接。
所述的硅固定基座1由硅片4及设置于硅片4两侧的二氧化硅层5构成。
所述的压电叠堆片2和质量块3具体通过环氧树脂实现粘贴。
所述的质量块3为镍金属块或钨金属块。
所述的压电叠堆片2包括：基片6以及附于基片6上的压电薄膜层7和电极层8，其中：压电薄膜层7为两层或以上，电极层8覆盖于每一层压电薄膜层7的上、下表面，压电薄膜层7和电极层8之间由环氧树脂胶层9实现机械串联方式粘贴，相邻的压电薄膜层7的极化方向相反且为并联电连接。
所述的基片是铜金属片，厚度为12μm。
所述的压电薄膜层是压电陶瓷薄膜，每层厚度是6μm。
所述的压电薄膜层，其相邻层的极化方向相反，层与层之间电学上采用并联方式连接。
所述的环氧树脂胶层，厚度是3μm。
所述的电极是Cr/Au合金。
本实施例涉及的上述压电叠堆式MEMS振动能量采集器的制备方法，包括以下步骤：
第一步，压电陶瓷片单面抛光、在抛光面溅射一层金属电极。
所述的压电陶瓷片是三片大小不同的矩形片，其长度为20mm，厚度为400μm，宽度分别为1.5mm、2mm，2.5mm。
所述的金属电极是Cr/Au合金，厚度为0.20μm。
第二步，通过键合和减薄等方法在基片上制备压电叠堆片。
所述的基片是指电镀附于硅片上的铜片(包括种子层0.14μm厚Cr\Cu层)，其厚度为12μm。
所述的制备压电叠堆片方法，具体是：将单面抛光、上完电极宽度为2.5mm的压电陶瓷片，在溅射电极面丝网印刷涂覆环氧树脂胶，并粘贴在硅基片上，然后通过机械化学研磨抛光方法将压电陶瓷片厚度减薄至6μm，接着在压电陶瓷片减薄面上溅射一层厚度为0.20μm Cr/Au合金金属电极层，完成第1层压电薄膜的制备，再在制备的第1层压电薄膜上，用环氧树脂粘贴宽度为2mm的第二片陶瓷片，并使他们在宽度方向上一端对齐，减薄、溅射电极制备第2层压电薄膜，最后粘贴宽度为1.5mm，重复以上过程，即可完成压电叠堆片的制作。
第四步，使用微加工工艺制备压电能量采集器结构。
所述的微加工工艺，具体是：通过光刻、显影等工艺，图形化压电陶瓷片，然后采用湿法刻蚀压电陶瓷以暴露电极，刻蚀液成分和质量比为(40％的NH4F∶HF＝1∶5)BHF∶HCl∶H2O＝1∶25∶74，刻蚀至露出下电极为止。接着通过光刻、显影工艺，图形化粘贴好压电叠堆片硅片的下表面，然后采用湿法刻蚀SiO2，在正胶的掩蔽作用下，光刻图形处SiO2将被HF酸腐蚀；腐蚀SiO2后，采用DPRIE深硅干法刻蚀完硅。最后，使用切片机切割，切成所需的压电叠堆片，使压电叠堆片一端固定，另一端悬空。
第四步，采用SU8胶工艺制备质量块，并使用胶粘贴方法使压电能量采集器的悬空端粘有一个质量块。
所述的SU8胶工艺是基于UV-LIGA技术，具体是：在洁净的硅片上溅射钛膜作为种子层，然后对钛膜进行氧化处理以改善基底与SU8胶的结合力，在钛膜上以600转/分钟的速度SU8-500光刻胶30秒，得到胶厚度约为500μm，光刻、显影得到矩形质量块空腔，接着电铸Ni质量块，电铸之前将SU8胶模具在RIE(反应离子刻蚀机)机器中用O2离子轰击2-3分钟，浸入镍电铸液中，连续电铸70h，最后去除SU8胶，用稀释的HF酸去除钛牺牲层，得到所需的镍金属块。
所述的胶粘贴方法，具体是：通过丝网印刷法将厚度小于3μm的环氧树脂胶涂在镍金属块上，进而使镍金属块粘贴在压电双晶片的悬空端，随后将粘有镍金属块的压电双晶片在50℃温度下固化1小时，随后在100℃温度下固化3小时。
第五步，焊接电导线，并沿着厚度方向极化压电片。
所述的极化是采用并联方式，使压电叠层相邻片的电极极化方向相反。
上述两个实施例制备得到的压电叠堆式MEMS能量采集器较现有的单层压电薄膜能量采集器的转换效率可提高50％以上，可有效克服MEMS压电能量采集器输出功率较低的问题。
Claims (10)
1.一种压电叠堆式MEMS振动能量采集器，包括：硅固定基座、压电叠堆片和质量块，其特征在于：压电叠堆片的一端固定在硅固定基座上且另一端悬空并与质量块固定连接。
2.根据权利要求1所述的压电叠堆式MEMS振动能量采集器，其特征是，所述的硅固定基座由硅片及设置于硅片两侧的二氧化硅层构成。
3.根据权利要求1所述的压电叠堆式MEMS振动能量采集器，其特征是，所述的压电叠堆片和质量块具体通过环氧树脂实现粘贴。
4.根据权利要求1所述的压电叠堆式MEMS振动能量采集器，其特征是，所述的质量块为镍金属块或钨金属块。
5.根据权利要求1所述的压电叠堆式MEMS振动能量采集器，其特征是，所述的压电叠堆片包括：基片以及附于基片上的压电薄膜层和电极层，其中：压电薄膜层为两层或以上，电极层覆盖于每一层压电薄膜层的上、下表面，压电薄膜层和电极层之间由环氧树脂胶层实现机械串联方式粘贴，相邻的压电薄膜层的极化方向相反且为并联电连接。
6.根据权利要求1所述的压电叠堆式MEMS振动能量采集器，其特征是，所述的基片是指：电镀于硅固定基座表面的金属层。
7.根据权利要求1所述的压电叠堆式MEMS振动能量采集器，其特征是，所述的电极层为Cr、Ni、NiCr合金、CrCu合金或TiPt合金制成。
8.一种根据上述任一权利要求所述压电叠堆式MEMS振动能量采集器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，对压电陶瓷片进行单面抛光，并在陶瓷抛光面上溅射或蒸发一层金属电极；
第二步，通过键合和减薄处理在基片上制备压电叠堆片；
第三步，使用微加工工艺制备压电能量采集器结构；
第四步，采用SU8胶工艺制备质量块，并使用胶粘贴方法使压电能量采集器的悬空端粘有一个质量块；
第五步，焊接电导线，并沿着厚度方向极化压电片。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征是，所述的制备压电叠堆片方法，具体是：将单面抛光、上完电极的压电陶瓷片，通过环氧树脂胶粘贴在基片上，然后通过机械化学研磨抛光方法将压电陶瓷片厚度减薄至5μm～10μm，接着在压电陶瓷片减薄面上溅射或蒸发一层金属电极层，制成压电薄膜；重复上述步骤若干次，完成压电叠堆片的制作。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征是，所述的极化是采用并联方式，使压电叠层相邻片的电极极化方向相反。
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