物聯網射頻收發組件開孔懸臂梁振動電磁自供電微傳感器的製造方法

2023-05-22 08:11:01 1

物聯網射頻收發組件開孔懸臂梁振動電磁自供電微傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明的射頻收發機中的開孔懸臂梁振動電磁自供電微傳感器，由一個主懸臂梁、8個副懸臂梁以及外圍大電容和穩壓電路組成。主懸臂梁兩側的自由邊上製作了八個尺寸相同副懸臂梁。8個副懸臂梁上開有不同半徑、間距以及數量的圓孔。本發明既實現了電磁能的收集又實現了振動能的收集。由於天線結構設計在主懸臂梁和副懸臂梁下表面，從而擴大了天線收集雜散電磁波能量的方向性範圍。本發明的8個副懸臂梁具有8種不同的固有諧振頻率，增大了頻率帶寬，更適用于振動頻率複雜多變的振動環境的振動能量的收集和利用。同時，由於雜散波和振動能被收集，改善了電磁兼容的問題，抑制了抖動，本發明能夠大大提高射頻收發組件的性能。
【專利說明】物聯網射頻收發組件開孔懸臂梁振動電磁自供電微傳感器
【技術領域】
[0001]本發明提出了物聯網射頻收發組件開孔懸臂梁振動/電磁自供電微傳感器，屬於微電子機械系統的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]物聯網技術的迅速發展，應用於物聯網的射頻收發組件的功耗引起了越來越多的關注。射頻收發組件中最常見的能量損耗來自於組件振動和輻射出的雜散波。振動能和電磁能的收集和利用將對降低射頻收發組件的功耗發揮巨大的作用。同時，隨著物聯網系統對器件的集成度的要求越來越高，收發組件的體積也越來越小，能量收集器的微型化的研究顯得尤為重要。得益於MEMS技術的發展，能量收集器將可以被設計得具有更小的體積。振動/電磁自供電微傳感器即是利用收集振動能和電磁能的方式來為工作電路提供輔助電源的新型傳感器。
[0003]雜散波的收集可以設計特定的天線結構來實現。而振動能量轉化為電能的方式一般有電磁式、壓電式和靜電式三種。相對來說壓電式具有結構簡單、不發熱、無電磁幹擾、清潔環保，機電轉換效率高、輸出電壓高等諸多優點，因而應用最為普遍。而對於眾多的壓電振動能收集結構，懸臂梁結構發展較為成熟。主要是因為其結構簡單且便於加工製作。在外部振動激勵下，一定尺寸的附有壓電材料的懸臂梁會發生諧振，使得梁上的壓電材料層發生較大的彎曲，壓電材料的上下表面產生電勢差，從而把振動的能量轉化為了電能。本發明即是基於懸臂梁結構設計的振動/電磁自供電微傳感器。

【發明內容】

[0004]技術問題:本發明是為了收集雜散波和振動的能量以減少射頻收發組件工作過程中不必要的能量損耗，同時改善電磁兼容的問題，抑制抖動，提高射頻收發組件的性能，提供一種物聯網射頻收發組件開孔懸臂梁振動電磁自供電微傳感器。
[0005]技術方案:一般來說，振動能的收集和電磁能的收集是以不同的結構來實現的，這樣不利於集成。同時，簡單懸臂梁的固有諧振頻率要設計得與環境的振動頻率一致需要設計較長的長度，不利於微型化。並且，單個梁諧振頻帶寬度較窄，無法在頻率變化較大的振動環境中工作。這些問題都在本發明中得到解決。
[0006]本發明的物聯網射頻收發組件開孔懸臂梁振動電磁自供電微傳感器由一個主懸臂梁和八個副懸臂梁構成，在外圍輔以大電容和穩壓電路，主懸臂梁的錨區固定在砷化鎵襯底上，八個副懸臂梁分別對稱分布在主懸臂梁的兩側，且副懸臂梁的錨區在主懸臂梁的兩側邊上；副懸臂梁上開有兩行圓孔，圓孔以矩形陣列的形式排列，在同一個副懸臂梁上，圓孔的半徑相同且每一行或每一列相鄰的圓孔之間的圓心的間距相同，每個副懸臂梁的固有諧振頻率都是不同，這是由於副懸臂梁上設計了不同直徑或分布的圓孔，通過設計不同副懸臂梁上的圓孔的孔半徑，相鄰圓孔圓心的間距以及圓孔的數量，可設計八種不同的固有諧振頻率；主懸臂梁的其中一側的4個副懸臂梁上圓孔的直徑都為8 μ m，但對於這4個副懸臂梁，不同副懸臂梁上的相鄰圓孔圓心的間距不同分別為8 μ m，10 μ m，12 μ m和14 μ m ;而對於主懸臂梁另一側的4個副懸臂梁，其中兩個副懸臂梁設計了直徑為10 μ m的圓孔，不同副懸臂梁上相鄰圓孔圓心的間距分別為6 μ m和8 μ m，另外兩個副懸臂梁設計直徑為12μηι的圓孔,不同副懸臂梁上相鄰圓孔圓心的間距分別為6μηι和8μηι,對於不同的要求設計不同的孔半徑、相鄰圓孔圓心的間距和孔的數量來滿足；把天線結構設計在帶有壓電材料層的主懸臂梁和副懸臂梁下表面，既實現電磁能的收集又實現振動能的收集。
[0007]主懸臂梁和副懸臂梁可以分為5層。最底層第一層金，製作成天線結構。第二層是氮化矽層，第三層和第五層都是金層，第四層在壓電材料層，壓電材料選用PbTiZr03。壓電材料層與其上表面和下表面的金層接觸，上下表面的金層分別作為電壓輸出的上下兩個電極板。每個壓電材料層的上下兩個極板都有金線引出，並與其它壓電材料層以串聯的方式連接。所有壓電材料層串聯後的總輸出連接到外圍的大電容和穩壓電路。其中所有的引線是在主懸臂梁的表面相連的。上電極的引線引出到主懸臂梁的表面時，有一段懸空的引線，以保證上電極不與壓電材料的下表面接觸。最底層的天線結構的輸出由引線引出到大電容和穩壓電路。
[0008]在本發明中，電磁能是通過製作在主懸臂梁和副懸臂梁最底層的天線來收集的。振動能是通過懸臂梁結構的諧振過程來收集的。工作中的射頻收發組件，發生的振動，通常不是單個頻率的振動。本發明中，8個副懸臂梁的固有諧振頻率分別設計成與環境中振動強度最大的8種振動的振動頻率相同。這樣，副懸臂梁會在射頻收發組件的振動的激勵下發生諧振，產生較大的彎曲形變，同時也使得梁上的壓電材料層發生形變。從而壓電材料層的上下表面將產生電勢差。並且所有壓電材料層都是以串聯的方式連接，因此每個梁上的壓電材料層的輸出電壓疊加輸出到外圍的電容和穩壓電路。
[0009]本發明中的8個副懸臂梁的諧振頻率的不同是通過在副懸臂梁上設計不同圓孔來實現的。通過設計每個副懸臂梁上的圓孔半徑，圓孔圓心的間距以及圓孔的數量，來調整每個副懸臂梁的楊氏模量，泊松比還有密度達到所需的值，從而使每個副懸臂梁具有不同的固有諧振頻率，實現了多種頻率的振動的能量，提高頻帶寬度，同時打孔處理能夠減小副懸臂梁的固有諧振頻率。
[0010]有M效果:本發明不僅能收集電磁能，還能收集振動能，有效地減小電路功率的損耗，為電路提供輔助的電源。由于振動能量和雜散波被吸收了，射頻收發組件的電磁兼容問題得到改善，而且抑制了不必要的抖動，有利於這些射頻組件的穩定工作。同時，懸臂梁的振動也使得其下表面的天線的隨著振動發生轉向，從而擴大了天線收集雜散電磁波能量方向性範圍，進一步增強了電磁能量收集的效率。並且，本發明中的微機械振動/電磁自供電微傳感器具有多個固有諧振頻率，收集的振動頻帶寬，能量的收集效率得到了很大程度的提聞
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發明物聯網射頻收發組件開孔懸臂梁振動電磁自供電微傳感器的俯視圖，
[0012]圖2為本發明微傳感器的仰視圖，
[0013]圖3為圖1微傳感器的P-P』向的剖面圖，[0014]圖4為圖1微傳感器固支梁Q-Q』向的剖面圖，
[0015]圖中包括:主懸臂梁1，副懸臂梁2，主懸臂梁的錨區3，砷化鎵襯底4，氮化矽層5，圓孔6，壓電材料層7，上極板8，下極板9，引線10，大電容和穩壓電路11，天線結構12，懸空的引線13。
【具體實施方式】
[0016]本發明的主要結構是由一個主懸臂梁I和八個副懸臂梁2構成，在外圍輔以大電容和穩壓電路11，主懸臂梁的錨區3固定在砷化鎵襯底4上，八個副懸臂梁2分別對稱分布在主懸臂梁I的兩側，且副懸臂梁2的錨區在主懸臂梁I的兩側邊上；在副懸臂梁2上開有兩行圓孔6，圓孔6以矩形陣列的形式排列，在同一個副懸臂梁2上圓孔6的半徑相同且每一行或每一列相鄰圓孔6圓心的間距相同，每個副懸臂梁2的固有諧振頻率都是不同，這是由於副懸臂梁2上設計了不同直徑或分布的圓孔6，通過設計不同副懸臂梁2上的圓孔6的孔半徑，相鄰圓孔6圓心的間距以及圓孔6的數量，設計了八種不同的固有諧振頻率；主懸臂梁I的其中一側的4個副懸臂梁2上圓孔6的直徑都為8 μ m,但對於這4個副懸臂梁2,不同副懸臂梁2上的相鄰圓孔6圓心的間距不同分別為8 μ m, 10 μ m, 12 μ m和14μ m ;而對於主懸臂梁I另一側的4個副懸臂梁2，其中兩個副懸臂梁2設計了直徑為10 μ m的圓孔6，不同副懸臂梁2上相鄰圓孔6圓心的間距分別為6 μ m和8 μ m，另外兩個副懸臂梁2設計直徑為12 μ m的圓孔6,不同副懸臂梁2上相鄰圓孔6圓心的間距分別為6 μ m和8 μ m,對於不同的傳感要求設計不同的孔半徑、相鄰圓孔6圓心的間距和孔的數量來滿足要求；把天線結構12設在帶有壓電材料層7的主懸臂梁I和副懸臂梁2下表面，實現電磁能的收集又實現振動能的收集。
[0017]主懸臂梁I和副懸臂梁2可以分為5層。最底層第一層金，形成天線結構12。第二層是氮化矽層5，第三層和第五層都是金層，第四層在壓電材料層7，壓電材料選用PbTiZrO3O壓電材料層7與其上表面和下表面的金層接觸,上下表面的金層分別作為電壓輸出的上極板8和下極板9。每個壓電材料層7的上極板8和下極板9都有引線10引出。所有壓電材料層7串聯後的總輸出連接到外圍的大電容和穩壓電路11。其中所有的引線10都是在主懸臂梁I的表面相連的。上極板8的引線10引出到主懸臂梁的表面時，有一段懸空的引線13，以保證上電極8不與壓電材料層7的下表面接觸。最底層的天線結構12的輸出由引線10引出到大電容和穩壓電路11。
[0018]在本發明中，電磁能是通過製作在主懸臂梁I和副懸臂梁2最底層的天線結構來收集的。振動能是通過設計懸臂梁結構的諧振來收集的。我們可以根據射頻收發組件的振動頻率來設計其固有諧振頻率，使得主懸臂梁I和副懸臂梁2會在射頻收發組件的振動的激勵下發生諧振，產生較大的彎曲形變，同時也使得梁上的壓電材料層7發生形變，從而產生電勢差，實現振動能到電能的轉換。並且所有壓電材料層7都是以串聯的方式連接，因此每個梁上的壓電材料層7的輸出電壓疊加輸出到外圍的電容及穩壓電路11。
[0019]設計結構中的每個副懸臂梁2的固有諧振頻率都是不同，這是在梁上設計不同圓孔6來實現的。通過設計每個副懸臂梁2上的圓孔6的半徑，圓孔6的圓心的間距以及圓孔6的數量，來調整每個副懸臂梁2的楊氏模量，泊松比還有密度達到所需要的值，使得每個副懸臂梁2具有不同的固有諧振頻率，增大了頻率帶寬。同時打孔處理能夠減小副懸臂梁2的固有諧振頻率。
[0020]物聯網射頻收發組件開孔懸臂梁振動/電磁自供電微傳感器的製備方法包括以下幾個步驟:
[0021]I)準備砷化鎵襯底4:選用外延的半絕緣砷化鎵襯底4，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度為1018cm_3，其方塊電阻值為100?130Ω / □;
[0022]2)澱積氮化矽，在砷化鎵襯底上用等離子體增強型化學氣相澱積法工藝PECVD生長氮化娃層5 ；
[0023]3)光刻並刻蝕氮化矽介質，保留主懸臂梁1、副懸臂梁2的氮化矽介質，並去除副懸臂梁2上的打孔部位的氮化矽介質；
[0024]4)通過蒸發鈦/金/鈦方式生長作為壓電材料層7下表面電極的金層；
[0025]5)塗覆光刻膠，去除主懸臂梁I和副懸臂梁2不打孔部分的光刻膠；
[0026]6)反刻鈦/金/鈦形成壓電材料層7的下極板9和主懸臂梁I氮化矽表面的引線10 ；
[0027]7)在主懸臂梁I和副懸臂梁2上製備壓電材料層7 ；
[0028]8)澱積並光刻聚醯亞胺犧牲層，僅保留上極板8懸空的引線13部分的犧牲層；
[0029]9)通過蒸發反刻形成壓電材料層7的上極板8和主懸臂梁I氮化矽表面的引線10 ；
[0030]10)將該砷化鎵襯底4背面減薄至100 μ m ;
[0031]11)在砷化鎵襯底4的背面塗覆光刻膠，去除主懸臂梁I和副懸臂梁2下方的砷化鎵的光刻膠；
[0032]12)刻蝕主懸臂梁I和副懸臂梁2下方的砷化鎵襯底4，形成主懸臂梁I和副懸臂梁2 ;
[0033]13)在主懸臂梁I和副懸臂梁2下表面製作天線結構；
[0034]本發明與現有技術的區別在於:
[0035]本發明物聯網射頻收發組件開孔懸臂梁振動/電磁自供電微傳感器能夠同時收集電磁能和振動能。天線結構可以收集射頻收發組件在工作中產生的雜散波，從而減小的電磁能的損耗，改善電磁兼容問題。在振動環境中，主懸臂梁和不同的副懸臂梁在不同的頻率的振動激勵下發生諧振，引起副懸臂梁和主懸臂梁的壓電材料發生彎曲形變，產生電勢差，從而實現了振動能到電能的轉換，抑制了射頻收發組件在工作中的抖動。同時，天線結構製作在主懸臂梁和副懸臂梁下表面，因此懸臂梁的振動也使得其下表面的天線的隨著振動發生轉向，從而擴大了天線收集雜散電磁波能量方向性範圍，增強了電磁能量收集的效率。本發明通過在副懸臂梁上設計不同開孔方案，使得本發明具有9個不同的諧振頻率點，所以其能收集的振動頻率帶寬增加，更適用於頻率變化大、振動模式複雜的振動環境中的振動能量的收集。由於非打孔梁的諧振頻率一般比環境的振動的頻率高很多，而利用打孔的方法可以設計梁的諧振頻率從O到其未打孔時的諧振頻率之間的任何頻率值，所以打孔不但可以簡單有效地調整副懸臂梁的固有諧振頻率，還可以避免副懸臂梁的長度的設計影響器件的微型化。
[0036]滿足以上條件的結構即視為本發明的物聯網射頻收發組件開孔懸臂梁振動/電磁自供電微傳感器。
【權利要求】
1.一種物聯網射頻收發組件開孔懸臂梁振動電磁自供電微傳感器，其特徵是該微傳感器由一個主懸臂梁(I)和八個副懸臂梁(2)構成，在外圍輔以大電容和穩壓電路(11)，主懸臂梁的錨區(3)固定在砷化鎵襯底(4)上，八個副懸臂梁(2)分別對稱分布在主懸臂梁(I)的兩側，且副懸臂梁(2)的錨區在主懸臂梁(I)的兩側邊上；副懸臂梁(2)上開有兩行圓孔(6)，圓孔(6)以矩形陣列的形式排列，在同一個副懸臂梁(2)上圓孔(6)的半徑相同且每一行或每一列相鄰圓孔(6)圓心的間距相同，每個副懸臂梁(2)的固有諧振頻率都是不同，這是由於副懸臂梁(2)上設計了不同直徑或分布的圓孔(6)，通過設計不同副懸臂梁(2)上的圓孔(6)的孔半徑，相鄰圓孔(6)圓心的間距以及圓孔(6)的數量，設計八種不同的固有諧振頻率；主懸臂梁(I)的其中一側的4個副懸臂梁(2)上圓孔(6)的直徑都為8 μ m，但對於這4個副懸臂梁(2)，不同副懸臂梁(2)上的相鄰圓孔(6)圓心的間距不同分別為8 μ m，10 μ m, 12 μ m和14 μ m ;而對於主懸臂梁(I)另一側的4個副懸臂梁(2),其中兩個副懸臂梁(2)設計了直徑為ΙΟμπι的圓孔(6)，不同副懸臂梁(2)上相鄰圓孔(6)圓心的間距分別為6μηι和8 μ m,另外兩個副懸臂梁(2)設計直徑為12 μ m的圓孔(6),不同副懸臂梁(2)上相鄰圓孔(6)圓心的間距分別為6μπι和8μπι，對於不同的要求設計不同的孔半徑、相鄰圓孔(6)圓心的間距和孔的數量來滿足；把天線結構(12)設在帶有壓電材料層(7)的主懸臂梁(1)和副懸臂梁(2)下表面，既實現電磁能的收集又實現振動能的收集。
【文檔編號】B81C1/00GK103840708SQ201410058322
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月20日 優先權日:2014年2月20日
【發明者】廖小平, 王凱悅 申請人:東南大學