基於mems的叉指間隙梁結構能量收集器及其製作方法

2023-06-20 20:56:01 2

基於mems的叉指間隙梁結構能量收集器及其製作方法
【專利摘要】基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器及其製作方法。目前，MEMS技術能量回收研究過程中，面臨的微米尺度空隙懸臂梁上PZT薄膜製備難題，對實現能量收集器批量化生產存在制約。本發明方法包括：頂層PZT複合膜梁和兩個底層支撐矽梁，所述的頂層PZT複合膜梁和底層支撐矽梁的兩端分別連接質量塊和固定塊；其中，所述的頂層PZT複合膜梁包括PZT梁層，以及與所述的PZT梁層的上下層分別連接的上金屬電極和下金屬電極。本發明用於微電子機械器件。
【專利說明】基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器及其製作方法
[0001]【技術領域】:
本發明涉及一種基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器及其製作方法。
[0002]【背景技術】:
微電子技術飛速發展使得晶片功耗足夠小，已達到納、微瓦量級水平，組成的晶片級集成微系統也在微、毫瓦量級，隨著這些微系統應用領域的拓展，與之配套的電能提供問題成為制約其進一步發展的關鍵。這些系統需要自供給、免維護的供電方式進行工作，以徹底擺脫電源線以及可充電電池的束縛。為解決微系統供能的瓶頸問題，開展從環境中獲取能量進而轉換為電能的能量收集器研究，此項研究具有十分重要的應用價值。能量收集是指從日常環境中存在的光照、化學、溫度梯度、機械振動獲取能量，進而轉換成電能。在上述涉及的各種形式的能源中，振動能具有存在範圍廣、能量密度高、局限小等優點，成為能量回收轉換研究的重點。
[0003]目前，MEMS技術能量回收研究過程中，面臨的微米尺度空隙懸臂梁上PZT薄膜製備難題，對實現能量收集器批量化生產存在制約。
[0004]
【發明內容】
:
本發明的目的是提供一種基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器及其製作方法。
[0005]上述的目的通過以下的技術方案實現:
一種基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器，其組成包括:頂層PZT複合膜梁，所述的頂層PZT複合膜梁下方具有兩個底層支撐矽梁，所述的頂層PZT複合膜梁和底層支撐矽梁的兩端分別連接質量塊和固定塊；其中，所述的頂層PZT複合膜梁包括PZT梁層，以及與所述的PZT梁層的上下層分別連接的上金屬電極和下金屬電極。
[0006]所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器，所述的頂層PZT複合膜梁的寬度與兩個底層支撐矽梁的寬度之和等於所述的質量塊的寬度；所述的兩個底層支撐矽梁間空隙的寬度與所述的頂層PZT複合膜梁的寬度相同。
[0007]—種基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，首先，利用PZT薄膜製備方法和MEMS體矽方法，將矩形矽基上刻蝕出立體間隙空腔結構，並使上下兩層結構形成空隙懸臂梁結構，製備成頂層PZT複合膜梁和兩個底層支撐矽梁的立體空隙矽梁結構；之後，將振動源對頂層PZT複合膜產生的大部分機械能轉化為有效電能輸出，並提高響應頻率；同時，通過調整頂層PZT複合膜梁自由端上質量塊的形狀，調整頂層PZT複合膜梁與底層支撐矽梁之間的距離，實現叉指梁結構能量收集器諧振頻率範圍和擴大器件頻響範圍的調整。
[0008]所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，所述的PZT薄膜製備方法是，選用厚度為330卿-550卿的SOI矽片並且其中間二氧化矽層厚度為I微米，首先在其上澱積厚度分別為250納米和20納米的Cr和Au作為下金屬電極；第二，利用溶膠-凝膠方法製作PZT材料並將其旋塗在所述的下金屬電極處；第三，採用相同澱積方法再在所述的SOI娃片另一面澱積Cr和Au形成上金屬電極；第四，在PZT材料兩側自頂向下採用幹法刻蝕，形成100微米厚的底層支撐梁，再利用背面刻蝕技術，形成5微米厚的頂層PZT複合膜梁；第五，在頂層PZT複合膜梁和底層支撐梁之間形成空隙層，同時形成固定端和質量塊。
[0009]所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，所述的溶膠-凝膠製備方法是，首先將0.5摩爾的硝酸鋯(Zr (N03) 4.5H20)溶於3.5摩爾的乙二醇單甲醚(CH30CH2CH20H)溶液中直至澄清透明；同時將鈦酸四正丁脂(Ti(0C4H9)4)溶於乙二醇單甲醚(CH30CH2CH20H)溶液中，並加入乙醯丙酮(CH3C0CH2C0CH3)作為穩定劑充分混合；之後將硝酸鋯(Zr(N03)4.5H20)和鈦酸四正丁脂(Ti(0C4H9)4)的兩種先驅溶液混合，並在80°C條件下充分攪拌回流50分鐘後，將醋酸鉛和醋酸的混合溶液加入兩種先驅混合溶液中，加入一定量的H20，在85°C下充分攪拌回流80分鐘，製得澄清透明的淡黃色溶膠。
[0010]所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，在Cr/Au金屬層上增加PT過渡層，首先，通過勻膠機在Au/Cr/ Si襯底上塗覆一層澄清PT溶膠形成PT溼凝膠膜；然後，將PT溼凝膠膜放入高溫爐中，在30(TC -350°C熱解乾燥處理5分鐘後形成幹凝膠膜，再經650°C -700°C處理1-3分鐘形成結晶化的PT種子層，之後，在PT種子層上塗覆一層PZT溶膠後，放入高溫管式爐中450°C下熱解乾燥處理30分鐘；如此重複交替塗覆PZT膜5-8次，當膜厚達到所需厚度時，經700°C處理5-15分鐘形成PZT膜；最後，再按照第一步製備PT薄膜的方法，在頂層PZT複合膜上製備一或二層PT膜，使其表面更加平整並提高PZT膜的結晶化程度和電學性質。
[0011]所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，根據環境中振動源頻率的不同，製備叉指間隙梁結構能量收集器陣列，主動匹配目標頻率或多頻率響應，完成能量轉換，擴大環境頻率耦合範圍；另外，在特殊需要的場合可利用超聲主動供能方式完成高頻響應下器件能量供給。
[0012]有益效果:
1.本發明設計製作的叉指間隙梁結構能量收集器與其它振動能量收集器相比，具有頂層PZT複合膜梁和兩個底層支撐矽梁的雙層結構，整個能量收集器的製作工藝簡單，更適於能量收集器的微型化、集成化以及批量生產；本發明的關鍵是利用MEMS工藝製備叉指間隙梁結構，使懸臂梁的結構多層化，從原來的單層結構增加到兩層，形成上下層間空隙的同時，底層間還可形成一個空隙，形成三叉結構。上下層間空隙降低中性層的位置，調整器件整體厚度，增大器件的剛度，提高能量輸出效率，而底層間的空隙則增加了器件的穩定性。同時，還能夠通過設計質量塊形狀調整諧振頻率，提高能量收集器固有諧振頻率。
[0013]2.本發明採用MEMS工藝手段研製的叉指間隙梁結構能量收集器採用溶膠-凝膠技術製備PZT材料，具有工藝簡單、與矽基襯底兼容性好的特點。通過增加PT過渡層，提高壓電模式下d31係數，減小介電常數，保證器件在剪切模式下，PZT材料有更匹配的壓電特性，提高輸出能量效率。
[0014]3.本發明採用半導體微機械加工工藝，具有結構和工藝簡單可批量生產，功耗低等優點，可以根據環境中振動源頻率的不同，製備叉指間隙梁能量收集器陣列，主動匹配目標頻率或多頻率響應，完成能量轉換，擴大拓寬環境頻率耦合範圍；在振動能源不足的情況下，通過調節系統參數，提高頻響範圍，利用超聲主動供能方式完成高頻響應下器件能量供給，從而實現器件的實用意義上的自供能、免維護功能。通過調整參數，叉指間隙梁能量收集器陣列可以在低頻段發生諧振響應，也可以在高頻段發生諧振響應，實現寬頻段響應，利於MEMS器件集成化、便攜化的發展。
[0015]利用基於MEMS技術製備的採集環境振動能量，MEMS結構的能量收集器具有體積小、可與集成微系統兼容的特點，可以實現自供能、免維護的供電方式，不僅在國防軍事具有重要的意義，在國民經濟的其他領域也具有重大應用價值。在眾多微型壓電能量收集器的熱點問題中，與微系統結構和尺度相匹配的問題是提高系統能量轉換效率和輸出效率、複合PZT薄膜製備、PZT薄膜製備工藝與MEMES工藝兼容等問題。利用薄膜技術製備矽基一體化的具有複合膜結構的能量收集器，可以提高PZT材料與襯底間的附著力，同時解決微米尺度空隙懸臂梁上PZT薄膜的製備難題，實現能量收集器批量化生產，具有很好的發展前景。
[0016]【專利附圖】

【附圖說明】:
附圖1是本發明涉及的叉指間隙梁結構能量收集器的整體結構示意圖。
[0017]附圖2是本發明涉及的頂層PZT複合膜梁的剖面結構示意圖。
[0018]附圖3是本發明涉及的叉指間隙梁結構能量收集器發生時S形彎曲變形時的結構示意圖。
[0019]附圖4是本發明涉及的叉指間隙梁結構能量收集器發生純彎曲變形時的結構示意圖。
[0020]【具體實施方式】:
實施例1:
一種基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器，其組成包括:頂層PZT複合膜梁1，所述的頂層PZT複合膜梁下方具有兩個底層支撐矽梁2，所述的頂層PZT複合膜梁和底層支撐矽梁的兩端分別連接質量塊3和固定塊4 ;其中，所述的頂層PZT複合膜梁包括PZT梁層5，以及與所述的PZT梁層的上下層分別連接的上金屬電極6和下金屬電極7。
[0021]當器件發生振動時，梁發生S形彎曲(附圖3)和純彎曲(附圖4)，S形彎曲時，由於材料的不同，上下梁的應力不同，彎曲程度也不同，PZT梁彎曲程度更大，導致產生電荷量增多，轉換效率更高，底部雙梁的結構保證了器件整體穩定性，當器件受到較大衝擊力時，具有一定的保護作用。
[0022]實施例2:
實施例1所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器，所述的頂層PZT複合膜梁的寬度與兩個底層支撐矽梁的寬度之和等於所述的質量塊的寬度；所述的兩個底層支撐矽梁間空隙的寬度與所述的頂層PZT複合膜梁的寬度相同。
[0023]實施例3:
一種基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，首先，利用PZT薄膜製備方法和MEMS體矽方法，將矩形矽基上刻蝕出立體間隙空腔結構，並使上下兩層結構形成空隙懸臂梁結構，製備成頂層PZT複合膜梁和兩個底層支撐矽梁的立體空隙矽梁結構；之後，將振動源對頂層PZT複合膜產生的大部分機械能轉化為有效電能輸出，並提高響應頻率；同時，通過調整頂層PZT複合膜梁自由端上質量塊的形狀，調整頂層PZT複合膜梁與底層支撐矽梁之間的距離，實現叉指梁結構能量收集器諧振頻率範圍和擴大器件頻響範圍的調整。
[0024]實施例4:
實施例3所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，所述的PZT薄膜製備方法是，選用厚度為330 -550 /--的SOI矽片並且其中間二氧化矽層厚度為I微米，首先在其上澱積厚度分別為250納米和20納米的Cr和Au作為下金屬電極；第二，利用溶膠-凝膠方法製作PZT材料並將其旋塗在所述的下金屬電極處；第三，採用相同澱積方法再在所述的SOI娃片另一面澱積Cr和Au形成上金屬電極；第四，在PZT材料兩側自頂向下採用幹法刻蝕，形成100微米厚的底層支撐梁，再利用背面刻蝕技術，形成5微米厚的頂層PZT複合膜梁；第五，在頂層PZT複合膜梁和底層支撐梁之間形成空隙層，同時形成固定端和質量塊。
[0025]下金屬電極採用矽微機械加工技術時，利用旋塗方式在叉指間隙梁結構能量收集器上製備PZT複合膜，利用MEMS工藝製作的基於PZT材料的微諧振梁能量收集器具有PZT材料與矽材料工藝一體化製作的特點，減少工藝流程，降低工藝複雜性，易於MEMS能量收集器的集成化、批量化生產。
[0026]實施例5:
實施例3或4所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，所述的溶膠-凝膠製備方法是，首先將0.5摩爾的硝酸鋯(Zr (N03) 4 -5H20)溶於3.5摩爾的乙二醇單甲醚(CH30CH2CH20H)溶液中直至澄清透明；同時將鈦酸四正丁脂(Ti(0C4H9)4)溶於乙二醇單甲醚(CH30CH2CH20H)溶液中，並加入乙醯丙酮(CH3C0CH2C0CH3)作為穩定劑充分混合；之後將硝酸鋯(Zr(N03)4.5H20)和鈦酸四正丁脂(Ti(0C4H9)4)的兩種先驅溶液混合，並在80°C條件下充分攪拌回流50分鐘後，將醋酸鉛和醋酸的混合溶液加入兩種先驅混合溶液中，加入一定量的H20，在85°C下充分攪拌回流80分鐘，製得澄清透明的淡黃色溶膠。
[0027]實施例6: 實施例3或4所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，在Cr/Au金屬層上增加PT過渡層，首先，通過勻膠機在Au/Cr/ Si襯底上塗覆一層澄清PT溶膠形成PT溼凝膠膜；然後，將PT溼凝膠膜放入高溫爐中，在30(TC -350°C熱解乾燥處理5分鐘後形成幹凝膠膜，再經650°C -700°C處理1-3分鐘形成結晶化的PT種子層，之後，在PT種子層上塗覆一層PZT溶膠後，放入高溫管式爐中450°C下熱解乾燥處理30分鐘；如此重複交替塗覆PZT膜5-8次，當膜厚達到所需厚度時，經700°C處理5-15分鐘形成PZT膜；最後，再按照第一步製備PT薄膜的方法，在頂層PZT複合膜上製備一或二層PT膜，使其表面更加平整並提高PZT膜的結晶化程度和電學性質。
[0028]利用PT過渡層生長利於d31晶向的PZT材料，提高材料的壓電係數，提高空隙梁的剪切模式下材料的能量輸出轉換效率。
[0029]實施例7:
實施例3或4所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，根據環境中振動源頻率的不同，制 備叉指間隙梁結構能量收集器陣列，主動匹配目標頻率或多頻率響應，完成能量轉換，擴大環境頻率耦合範圍；另外，在特殊需要的場合可利用超聲主動供能方式完成高頻響應下器件能量供給。
[0030]實施例8:
實施例3或4所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，該叉指間隙梁結構能量收集器的工作原理如下:基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的基本工作原理是壓電效應，即壓電材料工作於傳感器模式在外界振動激勵作用下發生形變，引起材料內部應力的變化，其內部電荷發生位移從而產生了電場，從而完成機械能到電能的轉換。電材料壓電方程可以簡單的表達為:
【權利要求】
1.一種基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器，其組成包括:頂層PZT複合膜梁，其特徵是:所述的頂層PZT複合膜梁下方具有兩個底層支撐矽梁，所述的頂層PZT複合膜梁和底層支撐矽梁的兩端分別連接質量塊和固定塊；其中，所述的頂層PZT複合膜梁包括PZT梁層，以及與所述的PZT梁層的上下層分別連接的上金屬電極和下金屬電極。
2.根據權利要求1所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器，其特徵是:所述的頂層PZT複合膜梁的寬度與兩個底層支撐矽梁的寬度之和等於所述的質量塊的寬度；所述的兩個底層支撐矽梁間空隙的寬度與所述的頂層PZT複合膜梁的寬度相同。
3.一種基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，其特徵是:首先，利用PZT薄膜製備方法和MEMS體矽方法，將矩形矽基上刻蝕出立體間隙空腔結構，並使上下兩層結構形成空隙懸臂梁結構，製備成頂層PZT複合膜梁和兩個底層支撐矽梁的立體空隙矽梁結構；之後，將振動源對頂層PZT複合膜產生的大部分機械能轉化為有效電能輸出，並提高響應頻率；同時，通過調整頂層PZT複合膜梁自由端上質量塊的形狀，調整頂層PZT複合膜梁與底層支撐矽梁之間的距離，實現叉指梁結構能量收集器諧振頻率範圍和擴大器件頻響範圍的調整。
4.根據權利要求3所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，其特徵是:所述的PZT薄膜製備方法是，選用厚度為330 -550 Zfin的SOI矽片並且其中間二氧化矽層厚度為I微米，首先在其上澱積厚度分別為250納米和20納米的Cr和Au作為下金屬電極；第二，利用溶膠_凝膠方法製作PZT材料並將其旋塗在所述的下金屬電極處；第三，採用相同澱積方法再在所述的SOI矽片另一面澱積Cr和Au形成上金屬電極；第四，在PZT材料兩側自頂向下採用幹法刻蝕，形成100微米厚的底層支撐梁，再利用背面刻蝕技術，形成5微米厚的頂層PZT複合膜梁；第五，在頂層PZT複合膜梁和底層支撐梁之間形成空隙層，同時形成固定端和質量塊。
5.根據權利要求3或4所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，其特徵是:所述的溶膠-凝膠製備方法是，首先將0.5摩爾的硝酸鋯(Zr(N03)4.5H20)溶於3.5摩爾的乙二醇單甲醚(CH30CH2CH20H)溶液中直至澄清透明；同時將鈦酸四正丁脂(Ti (0C4H9) 4)溶於乙二醇單甲醚(CH30CH2CH20H)溶液中，並加入乙醯丙酮(CH3C0CH2C0CH3)作為穩定劑充分混合；之後將硝酸鋯(Zr (N03) 4.5H20)和鈦酸四正丁脂(Ti (0C4H9) 4)的兩種先驅溶液混合，並在80°C條件下充分攪拌回流50分鐘後，將醋酸鉛和醋酸的混合溶液加入兩種先驅混合溶液中，加入一定量的H20，在85°C下充分攪拌回流80分鐘，製得澄清透明的淡黃色溶膠。
6.根據權利要求3或4或5所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法，其特徵是:在Cr/Au金屬層上增加PT過渡層，首先，通過勻膠機在Au/Cr/ Si襯底上塗覆一層澄清PT溶膠形成PT溼凝膠膜；然後，將PT溼凝膠膜放入高溫爐中，在300°C -3500C熱解乾燥處理5分鐘後形成幹凝膠膜，再經650°C -700°C處理1-3分鐘形成結晶化的PT種子層，之後，在PT種子層上塗覆一層PZT溶膠後，放入高溫管式爐中450 V下熱解乾燥處理30分鐘；如此重複交替塗覆PZT膜5-8次，當膜厚達到所需厚度時，經700°C處理5_15分鐘形成PZT膜；最後，再按照第一步製備PT薄膜的方法，在頂層PZT複合膜上製備一或二層PT膜，使其表面更加平整並提高PZT膜的結晶化程度和電學性質。
7.根據權利要求3或4或5或6所述的基於MEMS的叉指間隙梁結構能量收集器的製造方法， 其特徵是:根據環境中振動源頻率的不同，製備叉指間隙梁結構能量收集器陣列，主動匹配目標頻率或多頻率響應，完成能量轉換，擴大環境頻率稱合範圍；另外，在特殊需要的場合可利用超聲主動供能方式完成高頻響應下器件能量供給。
【文檔編號】B81B3/00GK103523737SQ201310509538
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】邱成軍, 陳曉潔, 曲偉, 卜丹, 林連冬 申請人:黑龍江大學