CN103346694A - 基于环状叉指电极的压电微型能量采集器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于环状叉指电极的压电微型能量采集器及其制备方法。该采集器包括由下至上的衬底层、绝缘层、键合层、压电层和上电极层；所述衬底层刻蚀留有质量块形状，所述上电极层为环状叉指结构。制备时，通过DRIE或湿法进行衬底层背面的通孔刻蚀，在衬底层上沉积绝缘层；通过键合的方法使得所述绝缘层与压电层粘接；在所述压电层上制作环状结构的上电极层，即可。本发明采用PZT等压电材料，并用键合和减薄方法制备压电薄膜，同时采用环状电极d33模式，与传统的矩形电极d33能量采集器或悬臂梁型能量采集器结构上不同。该器件具有结构简单，微细加工实现容易，体积减小，转换效率高，并且适用于低频振动源下的工作环境。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种能源技术领域的器件，更具体的说，涉及一种基于环状叉指电极的压电微型能量采集器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着微电子技术、微机械加工技术以及无线传感技术的迅速发展，对微器件的供电电源提出新的要求和挑战。微型压电式振动能量采集器，作为一种新型的自采集微能源器件，能够将所处环境的振动能量通过压电效应转换为电能，以提供微型电子器件电能，在新能源备受关注的现时期受到更多的广泛研究。
目前，采用MEMS技术制备的压电能量采集器，大部分采用d31振动模式来产生电能，主要是因为d31模式是在压电材料上下表面沉积金属电极，结构相对简单，电荷采集面积较大。d33振动方式是采用叉指电极来实现的，它虽然电极面积较d31的小，但能通过改变叉指电极的间距和叉指结构来改变器件的性能，从而能够产生比d31模式能量采集器更高的输出电压。
对现有技术文献的检索发现，Dong-Joo Kim等人等在《Journal of Micromechanicsand Microengineering》(2012)撰文“Modeling and evaluation of d33modepiezoelectric energy harvesters”(“d33模式压电能量采集器的模型和评价”《微机械与微工程期刊》)。该文对悬臂梁结构d33模式进行设计和加工。同时该课题组在《Journal of Microelectromechanical Systems》撰文“Comparison of MEMS PZTcantilevers based on d31andd33modes for vibration energy harvesting”(“MEMS结构的d31和d33振动模式压电悬臂梁结构能量采集性能比较”《微电子机械系统期刊》)。该文对悬臂梁结构的d31和d33模式能量采集器进行性能比较。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的上述不足，提出一种基于环状叉指电极的压电微型能量采集器及其制备方法。本发明实质是一种基于环形叉指电极的d33能量采集器，同样通过压电效应产生的电压供能给外加电压源，提供了另一有效解决除方形插指电极的d33压电能量采集器。d33压电能量采集器采用压电薄膜结构在外部振动能源激励下薄膜发生形变，材料产生压电效应来实现外界能源到内部能源的转变，从而有效解决非接触能量传递这一问题。同时利用压电效应的d33模式，即外部施加的应力和因此引起的机械性变沿着薄膜宽度方向，而极化方向产生的电压也沿这个方向的模式，形似尺寸的压电材料，d33压电模式的开路电压能够比d31模式高出许多。环状叉指电极较矩形叉指更加适合采集声波能源，有效采集电荷面积较为合理，改善d33能量采集器性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明涉及一种基于环状叉指电极的压电微型能量采集器，包括由下至上的衬底层、绝缘层、键合层、压电层和上电极层；所述衬底层刻蚀留有质量块形状，所述上电极层为环状叉指结构。
优选地，所述上电极层为导电非金属、金属或金属化合物。
优选地，所述上电极层为Au、Pt、Cu或石墨烯。
优选地，所述衬底层为硅衬底、玻璃衬底或SOI衬底。
优选地，所述绝缘层为二氧化硅、氮化硅或聚合物层。
优选地，所述聚合物层为parylene层、PDMS层或PI层。
优选地，所述压电层为PZT、BCT-BZT或PVDF压电膜层。
第二方面，本发明涉及一种前述的基于环状叉指电极的压电微型能量采集器的制备方法，包括如下步骤：
步骤A、通过DRIE或湿法进行衬底层背面的通孔刻蚀，在衬底层上沉积绝缘层；
步骤B、通过键合的方法使得所述绝缘层与压电层粘接；
步骤C、在所述压电层上制作环状结构的上电极层。
优选地，步骤C中，所述制作环状结构的上电极层具体为：将上电极层原料通过溅射或蒸发工艺生成在压电层上，图形化处理后，通过化学刻蚀或干法刻蚀工艺形成所述上电极层。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：本发明采用环状电极d33能量采集器，在外界振动源的激励下，压电层内部产生应力和应变的变化，从而电极上产生输出电流和电压，所设计的结构能够隔空采集外界振动能源。本发明采用微细加工的方法进行制作，易于批量生产和微型化，同时将和CMOS电路进行集成，完成系统化功能器件。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的结构示意图；其中A为俯视图，B为结构剖视图；
图中，1为衬底层，2为绝缘层，3为压电层，4为上电极层，5为键合层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1B所示，本发明所公开的基于环状叉指电极的d33压电微型能量采集器，包括：衬底层1，绝缘层2，上电极层4，压电层3及键合层5。在衬底层1上沉积绝缘层2，然后通过键合的方法用胶与压电层3粘接，用适合的键合温度达到所需键合强度。将粘接的PZT厚膜进行减薄工艺，到所需的厚度，其中减薄后的压电薄膜均匀性好，薄膜厚度可控，之后通过溅射或蒸发工艺实施上电极板4的制作，用光刻工艺对该层金属或非金属电极图形化，如图1A所示的环状叉指结构，然后通过化学刻蚀或干法刻蚀工艺蚀去图形化上电极层4。衬底层1位于最底层，并通过DRIE或湿法进行衬底背面的通孔刻蚀，释放压电薄膜，所刻蚀的衬底厚度与薄膜厚度匹配，以获得器件所需的共振频率。
衬底层1包括硅衬底，玻璃衬底或SOI衬底；绝缘层2使用二氧化硅或氮化硅；压电层3采用压电性能材料；上电极层4为导电薄层。
在外界振动源的激励下如超声能源，压电层薄膜或厚膜产生压电效应，即压电材料在外界振动激励下发生形变，引起材料内部应力的变化，内部的电荷发生位移从而产生了电场。将金属层累积的电荷采集，实现以非接触式或接触式将外界振动能转换为电能的过程。压电超声能量采集器在薄膜工作频率为其谐振频率时，输出电压最高。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种基于环状叉指电极的压电微型能量采集器，其特征在于，包括由下至上的衬底层、绝缘层、键合层、压电层和上电极层；所述衬底层刻蚀留有质量块形状，所述上电极层为环状叉指结构。
2.根据权利要求1所述的基于环状叉指电极的压电微型能量采集器，其特征在于，所述上电极层为导电非金属、金属或金属化合物。
3.根据权利要求2所述的基于环状叉指电极的压电微型能量采集器，其特征在于，所述上电极层为Au、Pt、Cu或石墨烯。
4.根据权利要求1所述的基于环状叉指电极的压电微型能量采集器，其特征在于，所述衬底层为硅衬底、玻璃衬底或SOI衬底。
5.根据权利要求1所述的基于环状叉指电极的压电微型能量采集器，其特征在于，所述绝缘层为二氧化硅、氮化硅或聚合物层。
6.根据权利要求5所述的基于环状叉指电极的压电微型能量采集器，其特征在于，所述聚合物层为parylene层、PDMS层或PI层。
7.根据权利要求1所述的基于环状叉指电极的压电微型能量采集器，其特征在于，所述压电层为PZT、BCT-BZT或PVDF压电膜层。
8.一种根据权利要求1所述的基于环状叉指电极的压电微型能量采集器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A、通过DRIE或湿法进行衬底层背面的通孔刻蚀，在衬底层上沉积绝缘层；
步骤B、通过键合的方法使得所述绝缘层与压电层粘接；
步骤C、在所述压电层上制作环状结构的上电极层。
9.根据权利要求8所述的基于环状叉指电极的压电微型能量采集器的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述制作环状结构的上电极层具体为：将上电极层原料通过溅射或蒸发工艺生成在压电层上，图形化处理后，通过化学刻蚀或干法刻蚀工艺形成所述上电极层。
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