物聯網射頻收發組件中光熱電磁振動自供電微納傳感器的製造方法
2023-05-09 19:44:36 3
物聯網射頻收發組件中光熱電磁振動自供電微納傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明是一種物聯網射頻收發組件中光熱電磁振動自供電微納傳感器，由一組尺寸相同的固支梁並排排列構成，固支梁的錨區分別固定在砷化鎵襯底上，固支梁的底層是氮化矽層，氮化矽層上面是下極板，下極板上面是壓電材料，壓電材料上面是上極板，在固支梁下表面製作有天線結構，在固支梁周圍環繞有豎立的MEMS熱電堆，在固支梁上的中間設有ZnO/p-Si納米級異質結，在ZnO/p-Si納米級異質結的兩側的固支梁部分設有圓孔。本發明能夠同時收集光能，熱能，電磁能和振動能，有效降低射頻收發組件的功耗，同時通過對熱能、電磁能和振動能的收集，改善了射頻收發組件的散熱問題和電磁兼容問題，抑制了射頻收發組件工作中的抖動，能有效的保證射頻收發組件工作的穩定性。
【專利說明】物聯網射頻收發組件中光熱電磁振動自供電微納傳感器
【技術領域】
[0001]本發明提出了物聯網射頻收發組件中光/熱/電磁/振動自供電微納傳感器，屬於微電子機械系統的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，隨著物聯網技術的研發和產業的發展，應用於物聯網的射頻收發組件被要求能夠長時間低功耗的工作。因而，自供電技術對新一代射頻收發組件實現這種目標將具有重大的意義。自供電傳感器的能量來源有很多種，最為普遍的就是光能。同時，一般來說，射頻收發組件消耗的功率不僅僅是用來供其工作，還有一部分不可避免的以發熱、雜散波還有振動的形式被損失掉。這一部分能量若能被利用，將能大大改善射頻收發組件的功耗問題，同時還能避免這些不必要的發熱、雜散波和振動對射頻收發組件的工作產生影響。因此，自供電傳感器也可以利用收集這些能量來為電路提供輔助電源。
[0003]光能一般是採用光電材料製作成結或者異質結來收集，在光能收集方面，有大量的研究應用，發展比較成熟。隨著腿13技術發展，利用1213熱電堆的效應來收集熱能並加以利用已成為可能。雜散波的收集一般可以設計特定的天線來收集。而振動能的收集一般有電磁式、壓電式和靜電式三種方式，其中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，因而獲得了廣泛的關注。而在目前眾多的壓電振動能收集結構中，固支梁結構的發展較為成熟。本發明即是基於固支梁結構設計的，通過同時收集光/熱/電磁/振動能來電路提供輔助電源的自供電微納傳感器。
[0004]射頻收發組件被要求能夠長時間低功耗的工作，傳統的射頻收發組件的功率一部分用於其工作，但還有一部分以發熱、雜散波和振動的形式損失掉，造成了不必要的能量損耗。對於一般的利用單個固支梁來收集振動能的裝置，其諧振帶寬較窄，無法在頻率變化較大的振動環境中工作，常用的提高頻帶寬度的方法是設計多個尺寸不同的梁，但是這樣可能會阻礙自供電傳感器的微型化。
【發明內容】
[0005]技術問題:本發明的目的就是要克服以上問題，提供一種物聯網射頻收發組件中光熱電磁振動自供電微納傳感器。
[0006]技術方案:本發明的物聯網射頻收發組件中光熱電磁振動自供電微納傳感器由一組尺寸相同的固支梁並排排列構成，以砷化鎵襯底為基底，砷化鎵襯底以下是導熱塊，固支梁的錨區的兩端分別固定在砷化鎵襯底上，固支梁的基層是氮化矽層，氮化矽層上面是下極板，下極板上面是壓電材料，壓電材料上面是上極板，在固支梁下表面製作有天線結構，在固支梁周圍環繞有豎立的1213熱電堆，在固支梁上的中間設有2=0/1)-31納米級異質結，在2=0/1)-31納米級異質結2的兩側設有圓孔，[0007]所述固支梁上設有圓孔，圓孔以矩形陣列的方式排列，在同一個固支梁上，圓孔都具有相同半徑且每一行或者每一列相鄰的圓孔之間的距離相等，各個固支梁彼此之間的圓孔半徑、相鄰的圓孔之間的距離及圓孔數量不相等。
[0008]本發明的物聯網射頻收發組件中光/熱/電磁/振動自供電微納傳感器是由多個具有開孔的固支梁構成，以砷化鎵襯底為基底，砷化鎵襯底以下是導熱塊。在外圍輔以大電容及穩壓電路。固支梁由多種材料製作，主要部分是一層氮化矽層。所有固支梁的錨區製作在砷化鎵襯底上，固支梁周圍環繞著一圈直立的MEMS熱電堆。在每個固支梁上，附有壓電材料，壓電材料選用納米級PbTiZr03。壓電材料的上表面和下表面都有金層作為輸出的上極板和下極板。上極板和下極板都有引線引出，所有固支梁上的壓電材料通過串聯的方式連接。同時，每個固支梁的中部都有一塊利用ZnO和P型Si製作ZnO/p-Si納米級異質結，由兩根引線引出。所有ZnO/p-Si納米級異質結也都是以串聯的方式連接。在每個固支梁的最底層是利用金製作的天線結構，天線結構由引線引出。壓電材料、ZnO/p-Si納米級異質結、熱電堆和天線結構的輸出都連接到外圍的大電容和穩壓電路，以供後級電路使用。
[0009]為了使尺寸相同的一組固支梁具有不同的固有諧振頻率，本發明所有的固支梁上都設計了不同的開孔方案。同一個固支梁上的圓孔都具有相同半徑且每一行或每一列相鄰的圓孔之間的距離相等。在固支梁的中部由於設計有ZnO/p-Si納米級異質結，所以每個梁的中間一部分沒有設計圓孔。通過設計每個固支梁上的圓孔的半徑或者相鄰圓孔圓心間距或者數量的不同，就可以使得每個固支梁的楊氏模量、泊松比和密度不同，這樣就使得相同尺寸和相同材料的固支梁具有不同的固有諧振頻率。
[0010]本發明的物聯網射頻收發組件中光/熱/電磁/振動自供電微納傳感器，同時實現了對光能、熱能、電磁能還有振動能的收集和利用。為了收集射頻收發組件工作中輻射出的雜散波，在每個固支梁的底層都設計了天線結構。而在每個固支梁中部利用ZnO和P型Si製作異質結，可以有效地吸收光能，產生直流電流。每個固支梁上的異質結都以串聯的方式連接，輸出到外圍的大電容和穩壓電路，供給後級電路使用，實現了光能到電能的轉換。在固支梁四周，製作了 MEMS熱電堆，熱電堆的熱端朝下，靠近射頻收發組件的散熱板，而冷端朝上，遠離散熱板。基於seeback效應,MEMS熱電堆由於熱端和冷端的溫差產生直流電壓。將該直流電壓加到大電容上，可實現能量的儲存。將產生的電壓通過穩壓電路，獲得穩定的直流電壓，實現了熱能到電能的轉換。本發明中，每個固支梁被設計出具有不同的固有諧振頻率。在射頻收發組件的振動的激勵下，固支梁會發生諧振，產生較大的彎曲形變，同時也使得梁上的壓電材料發生形變。從而壓電材料的上下表面將產生電勢差。由於所有壓電材料都是相互串聯的，因此每個梁上的壓電材料的輸出電壓疊加後輸出到外圍的電容和穩壓電路。這樣就實現了振動能的收集。
[0011]有益效果：本發明的物聯網射頻收發組件中光/熱/電磁/振動自供電微納傳感器能夠同時收集光能、熱能、電磁能和振動能四種不同的能量實現自供電，相比傳統的收集單一能量的自供電傳感器，本發明體積更小，供電能力大大提高，能夠有效的降低射頻收發組件的功耗。同時，射頻收發組件工作中散發的熱量和輻射的雜散波得到了有效吸收，增強了其散熱性能，改善了其電磁兼容問題。而且，振動能的收集，抑制了射頻收發組件工作中不必要的抖動，增強了其工作的穩定性。此外，本發明中，設計了一組具有不同固有諧振頻率的打孔固支梁，收集的振動頻帶寬，能量的收集效率高。固支梁的振動還使得天線結構和ZnO/p-Si納米級異質結髮生轉向，從而擴大了天線收集雜散電磁波能量和ZnO/p-Si納米級異質結吸收光能的方向性範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖I為本發明物聯網射頻收發組件中光/熱/電磁/振動自供電微納傳感器的俯視圖，
[0013]圖2為本發明固支梁的結構示意圖，
[0014]圖3為本發明物聯網射頻收發組件中光/熱/電磁/振動自供電微納傳感器的仰視圖，
[0015]圖4為圖I的P-P』方向的剖視圖，
[0016]圖5為圖I的Q-Q』方向的剖視圖。
[0017]以上圖中包括：固支梁1，ZnO/p-Si納米級異質結2，固支梁的錨區3，砷化鎵襯底4，氮化矽層5，圓孔6，壓電材料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，MEMS熱電堆13，導熱塊14，壓電轉換結構15，光電轉換結構16。
【具體實施方式】
[0018]本發明的物聯網射頻收發組件中光/熱/電磁/振動自供電微納傳感器是由多個固支梁I構成，以砷化鎵襯底4為基底，砷化鎵襯底4以下是導熱塊14。在外圍輔以大電容及穩壓電路11。固支梁I由多種材料構成，主要部分是一層氮化矽層5。所有固支梁的錨區3製作在砷化鎵襯底4上，固支梁I周圍環繞著一圈直立的MEMS熱電堆13。在每個固支梁I上，附有壓電材料7，壓電材料7選用納米級PbTiZr03。壓電材料7的上表面和下表面都有金層作為輸出的上極板8和下極板9。上極板8和下極板9都有引線10引出，所有固支梁I上的壓電材料7通過串聯的方式連接。同時，每個固支梁I的中部都有一塊利用ZnO和P型Si製作ZnO/p-Si納米級異質結2，由兩根弓丨線10引出。所有ZnO/p-Si納米級異質結2也都是以串聯的方式連接。在每個固支梁I的最底層是利用金製作了天線結構12，天線結構12由引線10引出。壓電材料7、Zn0/p-Si納米級異質結2、熱電堆13和天線結構12的輸出都連接到外圍的大電容和穩壓電路11，以供後級電路使用。
[0019]為了使尺寸相同的一組固支梁I具有不同的固有諧振頻率，本發明所有的固支梁I上都設計了不同的開孔方案。圓孔6以矩形陣列的方式排列。在同一個固支梁I上，圓孔6都具有相同半徑且每一行或者每一列相鄰的圓孔6圓心之間的距離相等。在固支梁I的中部由於設計有ZnO/p-Si納米級異質結2，所以每個固支梁I的中間一部分沒有設計圓孔
6。通過設計每個固支梁I上的圓孔6的半徑或者相鄰圓孔圓心間距或者數量的不同，就可以使得每個固支梁I的楊氏模量、泊松比和密度不同，這樣就使得相同尺寸和相同材料的固支梁I具有不同的固有諧振頻率。
[0020]本發明的物聯網射頻收發組件中光/熱/電磁/振動自供電微納傳感器，同時實現了對光能、熱能、電磁能還有振動能的收集和利用。為了收集射頻收發組件工作中輻射出的雜散波，在每個固支梁I的底層都設計了天線結構12。而在每個固支梁I中部製作有ZnO/p-Si納米級異質結2，可以有效地吸收光能，產生直流電流，每個固支梁I上的ZnO/P-Si納米級異質結2都以串聯的方式連接，輸出到外圍的大電容和穩壓電路11，供給後級電路使用，實現了光能到電能的轉換。固支梁1的周圍，製作一圈1213熱電堆13，1213熱電堆13的熱端朝下，靠近射頻收發組件的散熱板，而冷端朝上，遠離散熱板。基於效應，1213熱電堆13由於熱端和冷端的溫差產生直流電壓。將該直流電壓加到大電容上，可實現能量的儲存。將產生的電壓通過穩壓電路，獲得穩定的直流電壓，實現了熱能到電能的轉換。本發明中，每個固支梁1被設計出具有不同的固有諧振頻率。在射頻收發組件的振動的激勵下，固支梁1會發生諧振，產生較大的彎曲形變，同時也使得固支梁1上的壓電材料7發生形變。從而壓電材料7的上下表面將產生電勢差。由於所有壓電材料7都是相互串聯的，因此每個固支梁1上的壓電材料7的輸出電壓疊加後輸出到外圍的電容和穩壓電路11。這樣就實現了振動能的收集。
[0021]本發明的物聯網射頻收發組件中光/熱/電磁/振動自供電微納傳感器的製備過程如下:
[0022]1)準備砷化鎵襯底4 ；
[0023]2)澱積氮化矽，在砷化鎵襯底4上用等離子體增強型化學氣相澱積法工藝生長氮化娃層5 ；
[0024]3)光刻並刻蝕氮化矽，保留固支梁1部分氮化矽，並去除固支梁1上的打孔部位的氮化矽；
[0025]4)通過蒸發鈦/金/鈦方式生長作為壓電材料7下極板9的金層；
[0026]5)塗覆光刻膠，去除固支梁1不打孔部分的光刻膠；
[0027]6)反刻鈦/金/鈦形成壓電材料7的下極板9和金引線10 ；
[0028]7)在固支梁1上製備壓電材料7 ；
[0029]8)澱積並光刻聚醯亞胺犧牲層，僅保留上極板懸空的引線部分的犧牲層；
[0030]9)通過蒸發反刻形成壓電材料7的上極板8和金引線10 ；
[0031]10)將該砷化鎵襯底4背面減薄至100 9 III ；
[0032]11)在砷化鎵襯底4的背面塗覆光刻膠，去除固支梁1下方的砷化鎵的光刻膠；
[0033]12)刻蝕固支梁1下方的砷化鎵襯底4，形成固支梁；
[0034]13)在固支梁1下表面製作天線結構12 ；
[0035]14)通過組裝把1213熱電堆13、2110如-31納米級異質結2、導熱塊14和固支梁1結構裝配在一起；
[0036]本發明與現有技術的區別在於:
[0037]本發明的物聯網射頻收發組件中光/熱/電磁/振動自供電微納傳感器由多個具有不同固有諧振頻率的固支梁構成。在固支梁周圍設計有熱電堆收集熱能，在固支梁上製作了壓電材料和2=0/1)-31納米級異質結來收集振動能和光能，固支梁的底層則設計了天線結構來吸收雜散波。本發明能夠同時實現光能、熱能、電磁能和振動能四種不同的能量的收集，降低了射頻收發組件的功耗，大大提高了供電能力。同時本發明在吸收了熱能、電磁能和振動能的同時，增強了射頻收發組件的散熱性能，改善了射頻收發組件的電磁兼容問題，抑制了不必要的抖動，保證了射頻收發組件工作的穩定性。在本發明中，通過在固支梁上設計不同圓孔，包括其圓孔半徑、相鄰圓孔圓心間距以及圓孔數量，來調整每個尺寸相同的固支梁的楊氏模量，泊松比還有密度，從而使每個固支梁有了不同的固有諧振頻率，所以其所能收集的振動頻率帶寬增加，能量收集效率得到提高。同時，固支梁的振動還使得天線結構和ZnO/p-Si納米級異質結髮生轉向，從而擴大了天線收集雜散電磁波能量和ZnO/ρ-Si納米級異質結吸收光能的方向性範圍。
[0038]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中光/熱/電磁/振動自供電微納傳感器。
【權利要求】
1.一種物聯網射頻收發組件中光熱電磁振動自供電微納傳感器，其特徵是該微納傳感器由一組尺寸相同的固支梁（1)並排排列構成，以砷化鎵襯底（4)為基底,砷化鎵襯底（4)以下是導熱塊（14)，固支梁的錨區（3)的兩端分別固定在砷化鎵襯底（4)上，固支梁（1)的基層是氮化矽層（5)，氮化矽層（5)上面是下極板（9)，下極板（9)上面是壓電材料（7)，壓電材料（7)上面是上極板（8)，在固支梁（1)下表面製作有天線結構（12)，在固支梁（1)周圍環繞有豎立的MEMS熱電堆（13)，在固支梁（1)上的中間設有ZnO/p-Si納米級異質結（2)，固支梁（1)上靠近錨區的兩側設有圓孔（6)。
2.根據權利要求I所述的物聯網射頻收發組件中光熱電磁振動自供電微納傳感器，其特徵是所述固支梁（1)上設有的圓孔（6)，圓孔（6)以矩形陣列的形式排列，而且在同一個固支梁（1)上的圓孔（6)都具有相同半徑且每一行或者每一列相鄰的圓孔之間的距離相等，不同固支梁（1)彼此之間的圓孔半徑、相鄰的圓孔之間的距離及圓孔數量不相等。
【文檔編號】B81B3/00GK103840744SQ201410058341
【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, 張志強, 張家雨, 萬能, 易真翔, 廖晨 申請人:東南大學