本發(fā)明涉及可穿戴以及微能源產(chǎn)生和利用領(lǐng)域，特別涉及一種自產(chǎn)熱裝置及自產(chǎn)熱裝置的制作方法。

背景技術(shù)：

人類隨著年齡的增長(zhǎng)，器官老化，關(guān)節(jié)疾病的發(fā)病率極高，像關(guān)節(jié)炎、老寒腿等的發(fā)病，主要源于受涼。這些疾病除了就醫(yī)解決，在早期的預(yù)防其實(shí)更為關(guān)鍵。在日常生活中，常采用保暖內(nèi)衣和護(hù)膝等衣物器具對(duì)人體的關(guān)鍵部位進(jìn)行保暖驅(qū)寒處理，這種方法主要依靠人體體溫，老年人活力衰退、身體熱量不高，在寒冷天氣下效果不好。

近年來，隨著集成電路、MEMS工藝的快速發(fā)展，低功耗電子設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用?；诃h(huán)境能量獲取與轉(zhuǎn)換的微能源技術(shù)能夠持續(xù)不斷地收集環(huán)境中的能量并轉(zhuǎn)化為電能，具有體積小、壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是解決微電子器件與系統(tǒng)電源問題的有效途徑。由于振動(dòng)能在環(huán)境中廣泛存在，因此基于振動(dòng)能量獲取與轉(zhuǎn)換的微型能量收集器是微能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)。微型壓電能量收集器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種自產(chǎn)熱裝置及自產(chǎn)熱裝置的制作方法。將該模塊安裝于使用對(duì)象衣物的某些部位，可以拾取使用對(duì)象的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能并轉(zhuǎn)化為模塊中薄膜發(fā)熱的熱能，實(shí)現(xiàn)衣物加熱的效果。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種自產(chǎn)熱裝置，該自產(chǎn)熱裝置包括：能量拾取器和發(fā)熱裝置；能量拾取器，用來拾取使用對(duì)象在運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)能；發(fā)熱裝置，與能量拾取器通過金屬引線連接，用于根據(jù)動(dòng)能產(chǎn)生熱量。

優(yōu)選地，能量拾取器包括懸臂梁支撐的質(zhì)量塊和壓電器件：壓電器件，位于玻璃襯底之上，利用壓電效應(yīng)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能；懸臂梁支撐的質(zhì)量塊，用于感知使用對(duì)象的運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生位移碰撞壓電器件。

優(yōu)選地，壓電器件為三明治結(jié)構(gòu)，壓電器件包括第一電極、壓電層和第二電極。

優(yōu)選地，懸臂梁支撐的質(zhì)量塊包括：支撐結(jié)構(gòu)、懸臂梁和質(zhì)量塊；質(zhì)量塊與支撐結(jié)構(gòu)通過懸臂梁連接；質(zhì)量塊用于拾取使用對(duì)象的動(dòng)能；質(zhì)量塊依靠支撐結(jié)構(gòu)和懸臂梁產(chǎn)生振動(dòng)，觸碰壓電器件產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

優(yōu)選地，懸臂梁支撐的質(zhì)量塊的材料為硅。

優(yōu)選地，懸臂梁支撐的質(zhì)量塊采用氫氧化鉀濕法腐蝕和深反應(yīng)離子刻蝕干法刻蝕得到。

優(yōu)選地，發(fā)熱裝置位于玻璃襯底之上，包括金電極和銦錫氧化物薄膜；金電極設(shè)置在銦錫氧化物薄膜和玻璃襯底之間。

另一方面，本發(fā)明提出了一種自產(chǎn)熱裝置的制作方法，該包括自產(chǎn)熱裝置的制作方法包括：在清洗后的硅片上熱生長(zhǎng)氧化硅，并采用沉積氮化硅；分別腐蝕氮化硅和氧化硅；由氮化硅和氧化硅保護(hù)支撐架，及氧化硅保護(hù)質(zhì)量塊，并對(duì)硅片刻蝕；由氧化硅保護(hù)支撐架，并分別刻蝕懸臂梁和質(zhì)量塊，制備懸臂梁支撐質(zhì)量塊；由陰影掩膜版實(shí)現(xiàn)共晶鍵合的金圖形，完成懸臂梁支撐的質(zhì)量塊的制備；清洗玻璃襯底；濺射形成金薄膜，并對(duì)金薄膜光刻、腐蝕形成壓電器件的第一電極和發(fā)熱裝置的電極；濺射形成氧化鋅薄膜，并腐蝕氧化鋅薄膜形成壓電器件的壓電層；通過剝離工藝制備發(fā)熱裝置的銦錫氧化物薄膜；利用剝離工藝制備壓電器件的第二電極和共晶鍵合的金圖形；通過共晶鍵合的方式將玻璃襯底和支撐架固定在一起。

本發(fā)明通過拾取使用對(duì)象自身的動(dòng)能供給發(fā)熱裝置產(chǎn)生熱量，具有自發(fā)熱的特點(diǎn)；采用MEMS方法制備，具有小尺寸、能夠批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，有利于批量應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例提供的一種自產(chǎn)熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例提供的一種自產(chǎn)熱裝置的制作方法流程圖；

圖3為本發(fā)明的實(shí)施例提供的一種自產(chǎn)熱裝置的一個(gè)具體實(shí)施例。

其中：

1000-自產(chǎn)熱裝置、2000-MEMS能量拾取器、2001-支撐結(jié)構(gòu)、2002-懸臂梁、2003-質(zhì)量塊、2004-第一電極、2005-第二電極、2006-壓電層、2007-襯底、3000-發(fā)熱裝置、3001-銦錫氧化物薄膜、3002-電極、4000-懸臂梁支撐的質(zhì)量塊、4001-氮化硅、4002-氧化硅、4003-硅片、5000-壓電器件、6000-共晶鍵合的金、7000-衣服、8000-衣服結(jié)構(gòu)、8001-衣服內(nèi)襯、8002-柔性襯底、8003-模塊陣列、8004-保溫材料、8005-衣服外表。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例提供的一種自產(chǎn)熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，

能量拾取器2000是一種壓電式能量拾取器，能量拾取器2000，用來拾取使用對(duì)象在運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)能；發(fā)熱裝置3000，與能量拾取器2000通過金屬引線連接，用于根據(jù)動(dòng)能產(chǎn)生熱量。

可選的，能量拾取器2000可以為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)能量拾取器；發(fā)熱裝置3000為銦錫氧化物(ITO)發(fā)熱裝置。

發(fā)熱裝置3000位于玻璃襯底2007之上，發(fā)熱裝置3000包括電極3002和銦錫氧化物薄膜3001；電極3002設(shè)置在銦錫氧化物薄膜3001和玻璃襯底2007之間；電極3002的材料為金，也可以被其他的導(dǎo)電的材料替代，在此不贅述。

具體地，MEMS能量拾取器2000包括2個(gè)壓電器件5000和質(zhì)量塊4000。

壓電器件5000，位于玻璃襯底2007之上，利用壓電效應(yīng)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能；懸臂梁支撐的質(zhì)量塊4000，用于感知使用對(duì)象的運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生位移碰撞壓電器件。

具體地，壓電器件5000為三明治結(jié)構(gòu)，壓電器件5000包括第一電極2004、氧化鋅壓電層2006和第二電極2005。第一電極2004和第二電極2005的材料為金材料。

壓電器件5000和發(fā)熱裝置3000位于同一塊玻璃襯底2007之上，玻璃襯底2007經(jīng)共晶鍵合技術(shù)固接在懸臂梁支撐的質(zhì)量塊4000兩側(cè)。

具體地，懸臂梁支撐的質(zhì)量塊4000包括：支撐結(jié)構(gòu)2001、4個(gè)懸臂梁2002和質(zhì)量塊2003；質(zhì)量塊2003與支撐結(jié)構(gòu)2001通過懸臂梁2002連接；質(zhì)量塊2003用于拾取使用對(duì)象的動(dòng)能；質(zhì)量塊2003依靠支撐結(jié)構(gòu)2001和懸臂梁2002產(chǎn)生振動(dòng)，觸碰壓電器件5000產(chǎn)生壓電效應(yīng)。懸臂梁支撐的質(zhì)量塊4000的材料為硅。

懸臂梁支撐的質(zhì)量塊4000的制備材料可以是硅，可以通過氫氧化鉀(KOH)濕法腐蝕制備，也可以采用DRIE刻蝕制備，具體制備方法可以根據(jù)制備條件選擇，在此不贅述。

自產(chǎn)熱裝置1000的工作原理為：自產(chǎn)熱裝置1000工作時(shí)，自產(chǎn)熱裝置1000通過質(zhì)量塊2003拾取使用對(duì)象的動(dòng)能，質(zhì)量塊2003拾取動(dòng)能之后依靠連接支撐結(jié)構(gòu)2001和質(zhì)量塊2003的懸臂梁2002產(chǎn)生振動(dòng)，質(zhì)量塊2003的振動(dòng)會(huì)碰觸壓電器件5000引發(fā)壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電能會(huì)通過第一電極2004和第二電極2005傳遞到電極3002使銦錫氧化物薄膜3001發(fā)熱。

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例提供的一種自產(chǎn)熱裝置的制作方法流程圖。如圖2所示，該自產(chǎn)熱裝置的制備方法的步驟包括：

(a)厚度為525um、<100>晶向、N型、4寸硅片4003經(jīng)過RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗之后，在1000℃下生長(zhǎng)5個(gè)小時(shí)形成厚度為1um的氧化硅4002，并采用CVD(Chemical Vapor Deposition化學(xué)氣沉積法)沉積厚度為0.1um的氮化硅4001；

(b)實(shí)施對(duì)準(zhǔn)光刻，采用155℃的熱磷酸腐蝕氮化硅4001，然后采用氫氟酸腐蝕氧化硅4002。

(c)以氮化硅4001薄膜、氧化硅4002薄膜保護(hù)支撐結(jié)構(gòu)2001，以氧化硅4002薄膜保護(hù)質(zhì)量塊2003，利用深反應(yīng)離子刻蝕(Deep Reactivelon Etching，DRIE)硅片4003。

(d)以氧化硅4002薄膜保護(hù)支撐結(jié)構(gòu)2001，用DRIE同時(shí)刻蝕懸臂梁2002和質(zhì)量塊2003。

(e)利用射頻磁控濺射方法和陰影掩膜版(Shadow Mask)，在功率為150W、氬氣流量為80sccm、工作氣壓為0.8Pa、常溫的方法條件下濺射30分鐘純度為99.999％的金靶，形成厚度為0.2um的共晶鍵合的金6000，完成懸臂梁支撐的質(zhì)量塊4000的制備。

(f)在常溫下，利用丙酮、無水乙醇各超聲清洗玻璃襯底2007三分鐘，再用去離子水清洗干凈；

(g)利用射頻磁控濺射方法，在功率為150W、氬氣流量為80sccm、工作氣壓為0.8Pa、常溫方法條件下濺射30分鐘純度為99.999％的金靶，形成厚度為0.2um的金薄膜，對(duì)金薄膜進(jìn)行光刻、腐蝕形成壓電器件5000的第二電極2004和發(fā)熱裝置3000的電極3002。

(h)利用射頻磁控濺射方法，在功率為150W、氧氣流量為20sccm、氬氣流量為80sccm、工作氣壓為0.8Pa、常溫的方法條件下濺射30分鐘的鋅靶，形成厚度為0.15um的氧化鋅薄膜，通過套刻、腐蝕氧化鋅薄膜形成壓電器件5000的壓電層2006。

(i)銦錫氧化物(ITO)薄膜可以采用射頻磁控濺射的方法制備，通過優(yōu)化制備工藝中濺射氣壓、襯底溫度、射頻功率等參數(shù)可以調(diào)整它的電阻率。將ITO薄膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并通以電流，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻加熱。

采用光刻膠作犧牲層，利用射頻磁控反應(yīng)濺射方法，在功率為80W、工作氣壓為0.2Pa、氬氣流量為80sccm、常溫的方法條件下濺射30分鐘的ITO靶，形成厚度為0.1um的ITO薄膜，通過剝離液將犧牲層的光刻膠去除，形成發(fā)熱裝置3000的ITO薄膜3001。

(j)利用光刻膠作犧牲層，利用射頻磁控濺射方法，在150W的功率、80sccm的氬氣流量、0.8Pa的工作氣壓、常溫下方法條件下濺射30分鐘純度為99.999％的金靶，形成厚度為0.2um的金薄膜，通過剝離液將犧牲層的光刻膠去除，形成壓電器件5000的第一電極2005和共晶鍵合的金6000圖形。

(k)利用共晶鍵的技術(shù)，在400℃的溫度和2000N的壓力方法條件下將玻璃襯底2007和支撐結(jié)構(gòu)2001固定在一起。

圖3為本發(fā)明的實(shí)施例提供的一種自產(chǎn)熱裝置的一個(gè)具體實(shí)施例。如圖3所示，使用時(shí)，將制備完成的自產(chǎn)熱裝置1000安裝在在特殊形狀的柔性襯底8002上得到模塊陣列8003，在模塊陣列8003覆蓋一層保溫材料8004，柔性襯底8002接觸衣服內(nèi)襯8001、保溫材料接觸衣服外表8005，放置在衣服的肩、肘、膝蓋等關(guān)節(jié)部位。

當(dāng)使用自產(chǎn)熱裝置1000的對(duì)象本身有運(yùn)動(dòng)時(shí)，自產(chǎn)熱裝置1000通過質(zhì)量塊2003拾取使用該模塊的對(duì)象動(dòng)能，質(zhì)量塊2003拾取動(dòng)能之后依靠連接支撐結(jié)構(gòu)2001和質(zhì)量塊2003的懸臂梁2002產(chǎn)生振動(dòng)，質(zhì)量塊2003的振動(dòng)會(huì)碰觸壓電器件5000引發(fā)壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電能會(huì)通過第一電極2004和第二電極2005傳遞到電極3002使ITO薄膜3001發(fā)熱，保溫材料8004會(huì)使保溫效果長(zhǎng)久。

本發(fā)明通過拾取使用對(duì)象自身的動(dòng)能供給發(fā)熱裝置產(chǎn)生熱量，具有自發(fā)熱的特點(diǎn)；采用MEMS方法制備，具有小尺寸、能夠批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，有利于批量應(yīng)用。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。