專利名稱：一種壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能量收集裝置，尤其是涉及一種基于壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器(芯片式)及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著傳感網(wǎng)絡(luò)功能的擴(kuò)大，越來(lái)越多的微傳感系統(tǒng)被置于特殊的環(huán)境下使用(比如海底、建筑墻體內(nèi)部、人體內(nèi)部、高山或海島等無(wú)人值守的地方等)，這時(shí)常規(guī)電池的更換變得極為不便，甚至于不可能。因此，體積小、能量密度高、長(zhǎng)壽命電源的缺乏，已成為制約微型傳感系統(tǒng)實(shí)用化的“瓶頸”。為解決這一“瓶頸”問(wèn)題，科研人員提出了“環(huán)境能量收集” 的概念，即通過(guò)微型能量收集器收集大自然的環(huán)境能量(如光能、熱能、電磁能，振動(dòng)能等) 并轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在電池、電容等儲(chǔ)能裝置中以滿足微器件及微系統(tǒng)的使用需求。環(huán)境中振動(dòng)能量收集技術(shù)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。目前，振動(dòng)能量采集技術(shù)主要集中于三種方式電磁式、靜電式(也稱電容式)和壓電式。從過(guò)去幾年的研究基礎(chǔ)來(lái)看，電磁式輸出的電壓較低且難與微電子工藝集成，而靜電式和壓電式輸出電壓較高且與微/納制造工藝相兼容，因此是振動(dòng)換能的理想方式。靜電式能量收集器制造工藝([1]李林.MEMS關(guān)于振動(dòng)能量采集及其器件設(shè)計(jì)Q)].廈門大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008年6月)采用玻璃/SOI/玻璃三層結(jié)構(gòu)。然而，靜電式工作時(shí)需要額外提供一個(gè)初始的啟動(dòng)電壓源或電荷源，這為制造和微型化帶來(lái)了不便。傳統(tǒng)的振動(dòng)能量收集器通常被設(shè)計(jì)成線性振動(dòng)結(jié)構(gòu)(因線性振動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn))，其工作頻率被固定在一個(gè)特別激發(fā)的共振頻率點(diǎn)上。振動(dòng)能量收集如何與多樣性的環(huán)境振動(dòng)頻率相適應(yīng)以提高能量的收集效率是該技術(shù)目前面臨的最大問(wèn)題。在現(xiàn)有的壓電能量收集器中，基本上都是用溶膠凝膠的方法制備壓電陶瓷PZT。器件在工作過(guò)程中，由于壓電陶瓷PZT的制備過(guò)程復(fù)雜，往往導(dǎo)致器件本身的不穩(wěn)定性和性能較差等問(wèn)題。同時(shí)，中間層基本上是采用硅片，在制作工藝過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)腐蝕的自停止功能，而且制作程序復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備過(guò)程較簡(jiǎn)單、可克服傳統(tǒng)的溶膠凝膠制備PZT所帶來(lái)的器件穩(wěn)定性和性能較差等缺點(diǎn)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)能量的寬頻帶和高效率收集的壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器(芯片式)及其制造方法。所述壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器設(shè)有芯片主體和芯片外部電路；所述芯片主體為三層片狀結(jié)構(gòu)，所述芯片主體設(shè)有上玻璃片器件、SOI片器件、下玻璃片器件、壓電陶瓷片組、壓電陶瓷片電極和可變電容極板電極；上玻璃片器件的橫截面形狀呈倒U字形；SOI片器件的橫截面形狀呈倒山字形，SOI片器件的中部為質(zhì)量塊，質(zhì)量塊與周壁之間的連接部設(shè)有至少2個(gè)鏤空槽，各鏤空槽圍繞在質(zhì)量塊周邊，并且以質(zhì)量塊為中心呈對(duì)稱布置；下玻璃片器件的橫截面形狀呈U字形，上玻璃片器件下端面與SOI片器件上端面通過(guò)陽(yáng)極鍵合結(jié)合，SOI片器件下端面與下玻璃片器件上端面也通過(guò)陽(yáng)極鍵合結(jié)合； 上玻璃片器件與SOI片器件構(gòu)成可變電容，其中上玻璃片器件作為固定式的上電容極板， SOI片器件作為振動(dòng)式的下電容極板；壓電陶瓷片組設(shè)有至少2片壓電陶瓷片，各壓電陶瓷片設(shè)于所述質(zhì)量塊與周壁之間的連接部，并圍繞在質(zhì)量塊周邊，而且以質(zhì)量塊為中心呈對(duì)稱布置；每片壓電陶瓷片上均設(shè)壓電陶瓷片電極，各壓電陶瓷片電極串聯(lián)后通過(guò)導(dǎo)線與芯片外部電路連接；可變電容極板電極的上電極設(shè)于上玻璃片器件內(nèi)表面，可變電容極板電極的下電極設(shè)于SOI片器件的質(zhì)量塊上端面，可變電容極板電極通過(guò)導(dǎo)線與芯片外部電路連接。所述至少2個(gè)鏤空槽，最好是4個(gè)L字形鏤空槽。所述壓電陶瓷片電極優(yōu)選Pt，Au電極等。所述可變電容極板電極優(yōu)選Pt，Au電極等。所述芯片外部電路可設(shè)有整流電路、濾波電容、第一開關(guān)、第二開關(guān)和能量?jī)?chǔ)存電容；所述芯片主體的各壓電陶瓷片電極串聯(lián)后形成壓電交流電源，該壓電交流電源輸出端接整流電路輸入端，整流電路輸出端接濾波電容輸入端，濾波電容輸出端經(jīng)第一開關(guān)接可變電容極板電極輸入端，可變電容極板電極的輸出端經(jīng)第二開關(guān)接能量?jī)?chǔ)存電容輸入端， 能量?jī)?chǔ)存電容輸出端外接負(fù)載。所述整流電路優(yōu)選橋式整流電路。所述第一開關(guān)和第二開關(guān)均優(yōu)選二極管開關(guān)。所述芯片外部電路可設(shè)有整流電路、濾波電容、第一開關(guān)、第二開關(guān)、能量?jī)?chǔ)存電容以及可變電容極板啟動(dòng)電源；所述芯片主體的各壓電陶瓷片電極串聯(lián)后形成壓電交流電源，該壓電交流電源輸出端外接負(fù)載，可變電容極板啟動(dòng)電源的輸出端經(jīng)第一開關(guān)接可變電容極板電極輸入端，可變電容極板電極的輸出端經(jīng)第二開關(guān)接能量?jī)?chǔ)存電容輸入端，能量?jī)?chǔ)存電容輸出端外接負(fù)載。所述整流電路優(yōu)選橋式整流電路。所述第一開關(guān)和第二開關(guān)均優(yōu)選二極管開關(guān)。所述電容極板啟動(dòng)電源可直接采用外部的直流電源，如采用電池或通過(guò)適配器外接市電。本發(fā)明所述的壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器的制造方法，包括以下階段和步驟第一階段下玻璃片器件制作a.玻璃片清洗，濺射金，涂光刻膠、掩模、曝光；b.濕法腐蝕金，腐蝕完畢后留下的金屬圖形作為接下來(lái)刻蝕玻璃片所用的掩模；c.濕法將玻璃片腐蝕出凹槽，使玻璃片成為倒U字形；d.使用濕法腐蝕去除金，制得下玻璃片器件；第二階段SOI片器件制作a.將SOI片器件正面沉積Au層，然后切割至規(guī)定尺寸；Au層作為金硅共融鍵合的粘結(jié)層，并作為可變電容極板電極的下電極層；b.將各壓電陶瓷片切割至規(guī)定尺寸，經(jīng)雙面拋光后，在待鍵合面沉積Au層；c.將SOI片器件和各壓電陶瓷片的待鍵合面緊密接觸后進(jìn)行金硅共融鍵合；d.在金硅共融鍵合后，使用不同數(shù)目的砂紙和不同顆粒度的研磨膏對(duì)各壓電陶瓷片進(jìn)行物理減薄至規(guī)定尺寸；e.對(duì)各壓電陶瓷片圖形化，旋涂正膠，掩膜，曝光，顯影；
f.刻蝕各壓電陶瓷片；g.圖形化各壓電陶瓷片的下電極，在壓電陶瓷片底面涂正膠，掩模，曝光，顯影，得到壓電陶瓷片電極的下電極，然后通過(guò)沉積導(dǎo)線將各壓電陶瓷片的下電極串聯(lián)；h.使用王水圖形化SOI片器件上的可變電容極板電極的下電極層，并去膠，得到可變電容極板電極的下電極；i.制備各壓電陶瓷片電極的上電極，在壓電陶瓷片表面涂正膠，掩模，曝光，顯影；j.濺射金；k.浸泡酒精，剝離金屬，得到可變電容極板電極的上電極，然后通過(guò)沉積導(dǎo)線將各壓電陶瓷片的上電極串聯(lián)1.刻蝕質(zhì)量塊與周壁之間的連接部分，在質(zhì)量塊與周壁之間的連接部分涂正膠， 掩模，曝光，顯影；m.然后DRIE刻蝕質(zhì)量塊與周壁之間的連接部分，刻蝕完成后去膠，在酒精及丙酮溶液中清洗；η.對(duì)SOI片器件的上表面進(jìn)行干法刻蝕，在SOI片器件的上表面旋涂正膠，烘干， 制得SOI片器件的上表面保護(hù)層；ο.在SOI片器件的下表面旋涂正膠作為刻蝕SOI片器件的掩膜；p.接著用DRIE刻蝕SOI片器件，刻蝕至SOI片器件的二氧化硅阻擋層；q.再用BHF溶液腐蝕二氧化硅阻擋層，釋放出質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量塊與周壁之間的連接部分的結(jié)構(gòu)；r.浸泡酒精溶液去除SOI片器件正面的膠膜，從而制得SOI片器件；第三階段上玻璃片器件制作a.玻璃片清洗，濺射金；b.涂膠、掩模、曝光；c.腐蝕金，腐蝕完畢后留下的金屬圖形作為接下來(lái)刻蝕玻璃片所用的掩模；d.在玻璃片上腐蝕出凹槽，去除金及鉻，使玻璃片成為U字形；e.使用BHF溶液，制備出阻隔物，去膠；f.涂膠，兩次曝光，掩模，顯影；g.使用BHF溶液，制備阻隔物，去膠；h.可變電容極板電極的上電極制備，在上玻璃片器件內(nèi)表面濺射金，然后去膠剝離，得到可變電容極板電極，從而制得上玻璃片器件；第四階段裝配a.通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝將SOI片器件的上下兩端面分別與下玻璃片器件和上玻璃片器件鍵合在一起，成為一體。第五階段連接芯片外部電路將各壓電陶瓷片中的1片壓電陶瓷片的電極通過(guò)拉金絲工藝引出2根導(dǎo)線，將該 2根導(dǎo)線與所述芯片外部電路連接，將可變電容極板電極通過(guò)拉金絲工藝也引出2根導(dǎo)線， 將該2根導(dǎo)線與所述芯片外部電路連接，芯片外部電路按照所述的電路組成關(guān)系連接好即可，這樣就制得了本發(fā)明所述的壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器。
在第一階段的步驟a中，所述玻璃片可采用7740玻璃片，所述濺射金為濺射金 1000A;在第一階段的步驟b中，所述腐蝕金的腐蝕溶液按質(zhì)量比可為碘碘化鉀H2O =1.5 5 70;在第一階段的步驟C中，所述腐蝕玻璃片的腐蝕溶液按體積比可為 HNO3 HF H2O = 100 70 300。在第二階段的步驟a中，所述沉積Au層的Au層厚度可為0. 9 μ m ；所述規(guī)定尺寸可為^mmX ^mm的正方形；在第二階段的步驟b中，所述壓電陶瓷片可為PZT5，所述規(guī)定尺寸可為20mmX 20mm正方形，厚度可為10 μ m ；所述沉積Au層的Au層厚度可為0. 9 μ m ； 在第二階段的步驟c中，所述金硅共融鍵合的鍵合條件可為真空環(huán)境下，壓強(qiáng)0. SMPaJ^ 度550°C，鍵合時(shí)間池；在第二階段的步驟d中，所述減薄至規(guī)定尺寸將厚度可從ΙΟμπι減薄至1. 5μπι。在第二階段的步驟e中，所述旋涂正膠可采用旋涂正膠ΒΡ212，勻膠時(shí)間可為 30s，轉(zhuǎn)速可為2000r/s，膠的厚度可為1. 5 μ m ；在第二階段的步驟f中，所述刻蝕各壓電陶瓷片，刻蝕溶液的體積比可為BHF HCL H2O=I 25 74 ；其中BHF溶液的質(zhì)量比可為HF NH4F H2O = 28 113 170 ；第二階段的步驟m中，刻蝕的工藝參數(shù)可為SF6 流量20mL/min，射頻功率20W，工作氣壓8Pa。在第三階段的步驟a中，所述玻璃片可采用7740玻璃片，所述濺射金可為濺射金 1000A;在第三階段的步驟e中，所述阻隔物的深度可為2 μ m ；在第三階段的步驟g中，所述阻隔物的深度可為2μπι ；在第三階段的步驟h中，所述濺射金可為濺射金3000A。在第四階段的步驟a中，所述陽(yáng)極鍵合工藝的條件可為電壓600V，溫度370°C，壓力200N,電流8mA,時(shí)間30min。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明采用了集成電路和MEMS相結(jié)合的加工工藝，將壓電陶瓷(簡(jiǎn)稱PZT)片通過(guò)金硅共融鍵合到SOI片器件上，這樣避免了傳統(tǒng)的溶膠凝膠制備PZT帶來(lái)的器件不穩(wěn)定性和性能差的缺點(diǎn)。本發(fā)明利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓通過(guò)電極引出作用于靜電上下電容極板，實(shí)現(xiàn)電子器件的自供能，提高了振動(dòng)能量的收集效率。由于壓電靜電耦合效應(yīng)產(chǎn)生的非線性應(yīng)力應(yīng)變，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境振動(dòng)能量的寬頻帶收集，它是一種較有前景的替代傳統(tǒng)電池的技術(shù)。隨著集成電路制造技術(shù)和微納加工技術(shù)的進(jìn)步，電子器件的體積和功耗不斷降低，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域加速向智能化和微型化方向發(fā)展，其中涉及的微器件和微系統(tǒng)在工作時(shí)往往需要體積小、功率高、長(zhǎng)壽命和性能可靠的適配電源。采用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)。使用時(shí)，將壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器放置于振動(dòng)源處接收振動(dòng)能量，由于質(zhì)量塊與周壁之間的連接部設(shè)有鏤空槽，因此該連接部具有良好彈性，這樣質(zhì)量塊會(huì)作上下振動(dòng)位移。當(dāng)可變電容的下電容極板隨質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)到最上方時(shí)，可變電容達(dá)到最大值，第一開關(guān)閉合，此階段壓電片產(chǎn)生的電壓給可變電容充電，充電結(jié)束后，電容電量達(dá)到最大值，第一開關(guān)斷開；當(dāng)可變電容的下電容極板隨質(zhì)量塊開始下降時(shí)，可變電容的電容值減小，而可變電容的電量保持不變，則可變電容兩端的電壓開始上升，當(dāng)可變電容達(dá)到最小值時(shí)，可變電容上的電壓達(dá)到最大值。此時(shí)第二開關(guān)閉合，可變電容對(duì)芯片外部電路順時(shí)放電，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換；下電容極板運(yùn)動(dòng)到最低位置后，又開始重新向上運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)機(jī)械振動(dòng)周期。當(dāng)所述芯片外部電路采用技術(shù)方案之一時(shí)上電容極板與下電容極板構(gòu)成的可變電容可通過(guò)壓電交流電源實(shí)現(xiàn)自供能。當(dāng)所述芯片外部電路采用技術(shù)方案之二時(shí)上電容極板與下電容極板構(gòu)成的可變電容也可通過(guò)外設(shè)的電容極板啟動(dòng)電源(如電池或通過(guò)適配器外接市電)供能。由此可見，本發(fā)明利用壓電片受振動(dòng)變形發(fā)生壓電效應(yīng)，從而形成壓電交流電源， 這樣可實(shí)現(xiàn)能量收集(機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能)，并對(duì)外輸出。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境振動(dòng)能量自適應(yīng)、高效率和寬頻帶收集振動(dòng)能量，并且可實(shí)現(xiàn)自供能等突出優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸均可根據(jù)需要設(shè)計(jì)，從而具有不同的共振頻率，這樣才能適應(yīng)多樣性的環(huán)境振動(dòng)頻率，輸出穩(wěn)定的功率，實(shí)現(xiàn)能量的寬頻帶收集，可以實(shí)現(xiàn)線性或非線性的環(huán)境振動(dòng)能量的寬頻帶收集。本發(fā)明所述的制造方法是將上述壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器制造成芯片式的微米級(jí)器件。本發(fā)明是采用金硅共融鍵和技術(shù)制備壓電陶瓷，而且中間層是采用SOI片器件，在工作過(guò)程中，可以保證器件本身的穩(wěn)定性和性能可靠，在制作工藝過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)腐蝕的自停止功能，制作程序較簡(jiǎn)單。


圖1為本發(fā)明所述的基于壓電-靜電的復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器的實(shí)施例1 結(jié)構(gòu)示意圖(芯片外部電路未畫出)。圖2為圖1的A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖1中的SOI片器件上的壓電陶瓷片組、壓電陶瓷片電極和可變電容極板電極的布置示意圖。圖4為實(shí)施例1的電路原理示意圖。圖5為圖1中的下玻璃片器件的制作工藝步驟圖。圖6為圖1中的SOI片器件的制作工藝步驟圖。圖7為圖1中的上玻璃片器件的制作工藝步驟圖。圖8為實(shí)施例2的電路原理示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1參見圖1 3，本發(fā)明所述的壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器，設(shè)有芯片主體和芯片外部電路；主體為三層的片狀結(jié)構(gòu)，設(shè)有上玻璃片器件4、S0I片器件1、下玻璃片器件8、壓電陶瓷片組(由4片壓電陶瓷片5組成)、壓電陶瓷片電極(有4對(duì)電極幻和可變電容極板電極(由上電極2和下電極3組成的1對(duì)電極)。上玻璃片器件4的橫截面形狀呈倒U字形；SOI片器件1的橫截面形狀呈倒山字形，SOI片器件1的中部為質(zhì)量塊11，質(zhì)量塊11與周壁之間的連接部12設(shè)有4個(gè)L字形鏤空槽121，各鏤空槽121圍繞在質(zhì)量塊11周邊，并且以質(zhì)量塊11為中心呈對(duì)稱布置。標(biāo)號(hào)111為SOI片器件中的二氧化硅層(即點(diǎn)畫斜剖面線區(qū)域)。下玻璃片器件8的橫截面形狀呈U字形，上玻璃片器件4下端面與SOI片器件1上端面通過(guò)陽(yáng)極鍵合結(jié)合，SOI片器件1下端面與下玻璃片器件8上端面也通過(guò)陽(yáng)極鍵合結(jié)合。上玻璃片器件4與SOI片器件 1構(gòu)成可變電容，其中上玻璃片器件4作為固定式的上電容極板，SOI片器件1作為振動(dòng)式的下電容極板。壓電陶瓷片組設(shè)有4片壓電陶瓷片5，各壓電陶瓷片5設(shè)于所述質(zhì)量塊11 與周壁之間的連接部12上，并圍繞在質(zhì)量塊11周邊，而且以質(zhì)量塊11為中心呈對(duì)稱布置。 每片壓電陶瓷片5上均設(shè)1對(duì)壓電陶瓷片電極3，各壓電陶瓷片電極3串聯(lián)后通過(guò)導(dǎo)線9和 10引出與芯片外部電路連接?？勺冸娙輼O板電極的上電極2設(shè)于上玻璃片器件4內(nèi)表面， 可變電容極板電極的下電極3設(shè)于SOI片器件1的質(zhì)量塊11上端面，可變電容極板電極通過(guò)導(dǎo)線6和7引出與芯片外部電路連接。壓電陶瓷片電極為Pt和Au電極?？勺冸娙輼O板電極為Pt和Au電極。參見圖4，芯片外部電路設(shè)有整流電路13、濾波電容14(C)、第一開關(guān)15 (SWl)、第二開關(guān)17(SW》和能量?jī)?chǔ)存電容Cs ；所述各壓電陶瓷片電極串聯(lián)后形成壓電交流電源Ip， 該壓電交流電源Ip輸出端接整流電路13輸入端，整流電路13輸出端接濾波電容14(C)輸入端，濾波電容14輸出端經(jīng)第一開關(guān)15(SW1)接可變電容16(CV)極板電極輸入端，可變電容16極板電極的輸出端經(jīng)第二開關(guān)17 (SW^接能量?jī)?chǔ)存電容18 (Cs)輸入端，能量?jī)?chǔ)存電容 18輸出端外接負(fù)載19 (R)。所述整流電路13為橋式整流電路。所述第一開關(guān)15和第二開關(guān)17均為二極管開關(guān)。標(biāo)號(hào)6和7為可變電容極板電極通過(guò)拉金絲工藝引出的2根導(dǎo)線。如實(shí)施例1所述的壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器的制造方法，包括以下階段和步驟第一階段，參見圖5中a d圖(圖5中的每幅圖對(duì)應(yīng)1個(gè)工藝步驟)，網(wǎng)格狀剖面區(qū)域表示膠層，豎直剖面線區(qū)域表示金電極。下玻璃片器件8的制作工藝步驟為a.見圖5中的a圖，將玻璃片81清洗，濺射金；涂光刻膠20、掩模、曝光；玻璃片 81為7740玻璃片，所述濺射金為濺射金1000A;b.見圖5中的b圖，濕法腐蝕金，腐蝕完畢后留下的金屬圖形作為接下來(lái)刻蝕玻璃片所用的掩模；所述腐蝕金的腐蝕溶液為碘碘化鉀H2O = 1.5g 5g 70ml ；c.見圖5中的c圖，使用濕法腐蝕玻璃片，將玻璃片腐蝕出凹槽，使玻璃片成為倒 U字形；所述腐蝕玻璃片的腐蝕溶液為HNO3 HF H2O = IOOml 70ml 300ml ；d.見圖5中的d圖，使用濕法腐蝕去除金，從而制得下玻璃片器件8。第二階段，參見圖6中a r圖(圖6中的每幅圖對(duì)應(yīng)1個(gè)工藝步驟)，點(diǎn)畫斜剖面線區(qū)域表示SOI片器件中的二氧化硅層，豎直剖面線區(qū)域表示金電極，網(wǎng)格狀剖面區(qū)域表示膠層，城墻狀剖面區(qū)域表示壓電陶瓷片。SOI片器件1的制作工藝步驟為a.見圖6中的a圖，將SOI片100正面沉積Au層，然后切割至規(guī)定尺寸；Au層作為金硅共融鍵合的粘結(jié)層，并作為可變電容極板電極的下電極層；所述沉積Au層的Au層厚度為0. 9 μ m ；所述規(guī)定尺寸為^mmX ^mm的正方形；b.見圖6中的b圖，將各壓電陶瓷片切割至規(guī)定尺寸，經(jīng)雙面拋光后，在待鍵合面沉積Au層；所述壓電陶瓷片為PZT5，所述規(guī)定尺寸為20mmX20mm正方形，厚度為ΙΟμπι;所述沉積Au層的Au層厚度為0. 9 μ m ；c.見圖6中的c圖，將SOI片器件和各壓電陶瓷片的待鍵合面緊密接觸后進(jìn)行金硅共融鍵合；所述金硅共融鍵合的鍵合條件為真空環(huán)境下，壓強(qiáng)0. 8MPa，溫度550°C，鍵合時(shí)間2h ；d.見圖6中的d圖，在金硅共融鍵合后，使用不同數(shù)目的砂紙和不同顆粒度的研磨膏對(duì)各壓電陶瓷片進(jìn)行物理減薄至規(guī)定尺寸；所述減薄至規(guī)定尺寸將厚度從10 μ m減薄至1. 5 μ m ；e.見圖6中的e圖，對(duì)各壓電陶瓷片圖形化，旋涂正膠，掩膜，曝光，顯影；所述旋涂正膠是旋涂正膠BP212，勻膠時(shí)間為30秒，轉(zhuǎn)速為2000r/s，膠的厚度為1. 5 μ m ；f.見圖6中的f圖，刻蝕各壓電陶瓷片；刻蝕溶液配比為BHF HCL H20 = Iml 25ml 74ml ；其中 BHF 溶液配比為HF NH4F H20 = 28ml 113g 170ml ；g.見圖6中的g圖，圖形化各壓電陶瓷片的下電極，在壓電陶瓷片底面涂正膠，掩模，曝光，顯影，得到壓電陶瓷片電極的下電極，然后通過(guò)沉積導(dǎo)線將各壓電陶瓷片的下電極串聯(lián)；h.見圖6中的h圖，使用王水圖形化SOI片器件上的可變電容極板電極的下電極層，并去膠，得到可變電容極板電極的下電極；i.見圖6中的i圖，制備各壓電陶瓷片電極的上電極，在壓電陶瓷片表面涂正膠， 掩模，曝光，顯影；j.見圖6中的j圖，在壓電陶瓷片表面濺射金3000A，制備壓電陶瓷片電極；k.見圖6中的k圖，浸泡酒精，剝離金屬，得到可變電容極板電極的上電極，然后通過(guò)沉積導(dǎo)線將各壓電陶瓷片的上電極串聯(lián)；1.見圖6中的1圖，刻蝕質(zhì)量塊與周壁之間的連接部分，在質(zhì)量塊與周壁之間的連接部分涂正膠BP212，掩模，曝光，顯影；m.見圖6中的m圖，DRIE刻蝕質(zhì)量塊與周壁之間的連接部分，刻蝕完成后去膠， 在酒精及丙酮溶液中清洗；刻蝕的工藝參數(shù)為SF6流量20mL/min，射頻功率20W，工作氣壓 8Pa ；η.見圖6中的η圖，對(duì)SOI片器件的上表面進(jìn)行干法刻蝕，在SOI片器件的上表面旋涂正膠ΒΡ212，烘干，制得SOI片器件的上表面保護(hù)層；ο.見圖6中的ο圖，在SOI片器件的下表面旋涂正膠ΒΡ212作為刻蝕SOI片器件的掩膜；p.見圖6中的ρ圖，DRIE刻蝕SOI片器件，刻蝕至SOI片器件的二氧化硅阻擋層；q.見圖6中的q圖，再用BHF溶液腐蝕二氧化硅阻擋層，釋放出質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量塊與周壁之間的連接部分的結(jié)構(gòu)；r.見圖6中的r圖，浸泡酒精溶液去除SOI片器件正面的膠膜，從而制得SOI片器件1。第三階段，參見圖7中a h圖(圖7中的每幅圖對(duì)應(yīng)1個(gè)工藝步驟)，網(wǎng)格狀剖面區(qū)域表示膠層，點(diǎn)狀剖面區(qū)域表示鉬金電極，豎直剖面線區(qū)域表示金電極。上玻璃片器件 2的制作工藝步驟為a.見圖7中的a圖，將7740玻璃片41清洗，濺射金IOOOA;b.見圖7中的b圖，然后涂膠、掩模、曝光；c.見圖7中的c圖，腐蝕金，腐蝕完畢后留下的金屬圖形作為接下來(lái)刻蝕玻璃片所用的掩模；d.見圖7中的d圖，在玻璃片上腐蝕出凹槽，去除金，使玻璃片成為U字形；e.見圖7中的e圖，使用BHF溶液(NH4F+HF+H20)，制備出阻隔物，深度為2 μ m，， 去膠；
f.見圖7中的f圖，涂膠，兩次曝光，掩模，顯影；g.見圖7中的g圖，使用BHF溶液(NH4F+HF+H20)，制備阻隔物，深度為2μπι，去膠；h.見圖7中的h圖，可變電容極板電極的上電極制備，在上玻璃片器件內(nèi)表面濺射金3000A，然后去膠剝離，得到可變電容極板電極，從而制得上玻璃片器件4 ；第四階段裝配裝配工藝步驟為a.通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝將SOI片器件的上下兩端面分別與下玻璃片器件和上玻璃片器件鍵合在一起，成為一體；第五階段連接芯片外部電路將各壓電陶瓷片中的1片壓電陶瓷片的電極通過(guò)拉金絲工藝引出2根導(dǎo)線9和 10，將該2根導(dǎo)線與所述芯片外部電路連接，將可變電容極板電極通過(guò)拉金絲工藝也引出2 根導(dǎo)線6和7，將該2根導(dǎo)線與所述芯片外部電路連接，芯片外部電路按照所述的電路組成關(guān)系連接好即可，這樣就制得了本發(fā)明所述的壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器。實(shí)施例2參見圖8，與實(shí)施例1類似，區(qū)別僅在于芯片外部電路不同。所述芯片外部電路設(shè)有濾波電容14(C)、第一開關(guān)15 (SWl)、第二開關(guān)17(SW2)、能量?jī)?chǔ)存電容IS(Cs)以及可變電容極板啟動(dòng)電源20 ；可變電容極板啟動(dòng)電源20的輸出端經(jīng)第一開關(guān)15接可變電容16(CV) 極板電極輸入端，可變電容16極板電極的輸出端經(jīng)第二開關(guān)17接能量?jī)?chǔ)存電容18輸入端，能量?jī)?chǔ)存電容18輸出端外接負(fù)載R。所述第一開關(guān)15和第二開關(guān)17均為二極管開關(guān)。 所述電容極板啟動(dòng)電源20可直接采用外部的直流電源，如采用電池或通過(guò)適配器外接市電。標(biāo)號(hào)6和7為可變電容極板電極通過(guò)拉金絲工藝也引出的2根導(dǎo)線。
權(quán)利要求
1.一種壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器，設(shè)有芯片主體和芯片外部電路；所述芯片主體為三層的片狀結(jié)構(gòu)，所述芯片主體設(shè)有上玻璃片器件、SOI片器件、下玻璃片器件、壓電陶瓷片組、壓電陶瓷片電極和可變電容極板電極；上玻璃片器件的橫截面形狀呈倒U字形；SOI片器件的橫截面形狀呈倒山字形，SOI片器件的中部為質(zhì)量塊，質(zhì)量塊與周壁之間的連接部設(shè)有至少2個(gè)鏤空槽，各鏤空槽圍繞在質(zhì)量塊周邊，并且以質(zhì)量塊為中心呈對(duì)稱布置；下玻璃片器件的橫截面形狀呈U字形，上玻璃片器件下端面與SOI片器件上端面通過(guò)陽(yáng)極鍵合結(jié)合，SOI片器件下端面與下玻璃片器件上端面也通過(guò)陽(yáng)極鍵合結(jié)合； 上玻璃片器件與SOI片器件構(gòu)成可變電容，其中上玻璃片器件作為固定式的上電容極板， SOI片器件作為振動(dòng)式的下電容極板；壓電陶瓷片組設(shè)有至少2片壓電陶瓷片，各壓電陶瓷片設(shè)于所述質(zhì)量塊與周壁之間的連接部，并圍繞在質(zhì)量塊周邊，而且以質(zhì)量塊為中心呈對(duì)稱布置；每片壓電陶瓷片上均設(shè)壓電陶瓷片電極，各壓電陶瓷片電極串聯(lián)后通過(guò)導(dǎo)線與芯片外部電路連接；可變電容極板電極的上電極設(shè)于上玻璃片器件內(nèi)表面，可變電容極板電極的下電極設(shè)于SOI片器件的質(zhì)量塊上端面，可變電容極板電極通過(guò)導(dǎo)線與芯片外部電路連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器，其特征在于所述質(zhì)量塊與周壁之間的連接部設(shè)有4個(gè)L字形鏤空槽。
3.如權(quán)利要求1所述的一種壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器，其特征在于所述壓電陶瓷片電極為Pt，Au電極；所述可變電容極板電極為Pt，Au電極。
4.如權(quán)利要求1所述的一種壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器，其特征在于所述芯片外部電路設(shè)有整流電路、濾波電容、第一開關(guān)、第二開關(guān)和能量?jī)?chǔ)存電容；所述芯片主體的各壓電陶瓷片電極串聯(lián)后形成壓電交流電源，該壓電交流電源輸出端接整流電路輸入端，整流電路輸出端接濾波電容輸入端，濾波電容輸出端經(jīng)第一開關(guān)接可變電容極板電極輸入端，可變電容極板電極的輸出端經(jīng)第二開關(guān)接能量?jī)?chǔ)存電容輸入端，能量?jī)?chǔ)存電容輸出端外接負(fù)載；所述整流電路優(yōu)選橋式整流電路；所述第一開關(guān)和第二開關(guān)均優(yōu)選二極管開關(guān)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器，其特征在于所述芯片外部電路設(shè)有整流電路、濾波電容、第一開關(guān)、第二開關(guān)、能量?jī)?chǔ)存電容以及可變電容極板啟動(dòng)電源；所述芯片主體的各壓電陶瓷片電極串聯(lián)后形成壓電交流電源，該壓電交流電源輸出端外接負(fù)載，可變電容極板啟動(dòng)電源的輸出端經(jīng)第一開關(guān)接可變電容極板電極輸入端，可變電容極板電極的輸出端經(jīng)第二開關(guān)接能量?jī)?chǔ)存電容輸入端，能量?jī)?chǔ)存電容輸出端外接負(fù)載；所述整流電路優(yōu)選橋式整流電路；所述第一開關(guān)和第二開關(guān)均優(yōu)選二極管開關(guān)；所述電容極板啟動(dòng)電源可直接采用外部的直流電源。
6.如權(quán)利要求1所述的一種壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器的制造方法，包括以下階段和步驟第一階段下玻璃片器件制作a.玻璃片清洗，濺射金；涂光刻膠、掩模、曝光；b.濕法腐蝕金，腐蝕完畢后留下的金屬圖形作為接下來(lái)刻蝕玻璃片所用的掩模；c.濕法將玻璃片腐蝕出凹槽，使玻璃片成為倒U字形；d.使用濕法腐蝕去除金，從而制得下玻璃片器件；第二階段 SOI片器件制作a.將SOI片器件正面沉積Au層，然后切割至規(guī)定尺寸；Au層作為金硅共融鍵合的粘結(jié)層，并作為可變電容極板電極的下電極層；b.將各壓電陶瓷片切割至規(guī)定尺寸，經(jīng)雙面拋光后，在待鍵合面沉積Au層；c.將SOI片器件和各壓電陶瓷片的待鍵合面緊密接觸后進(jìn)行金硅共融鍵合；d.在金硅共融鍵合后，使用不同數(shù)目的砂紙和不同顆粒度的研磨膏對(duì)各壓電陶瓷片進(jìn)行物理減薄至規(guī)定尺寸；e.對(duì)各壓電陶瓷片圖形化，旋涂正膠，掩膜，曝光，顯影；f.刻蝕各壓電陶瓷片；g.圖形化各壓電陶瓷片的下電極，在壓電陶瓷片底面涂正膠，掩模，曝光，顯影，得到壓電陶瓷片電極的下電極，然后通過(guò)沉積導(dǎo)線將各壓電陶瓷片的下電極串聯(lián)；h.使用王水圖形化SOI片器件上的可變電容極板電極的下電極層，并去膠，得到可變電容極板電極的下電極；i.制備各壓電陶瓷片電極的上電極，在壓電陶瓷片表面涂正膠，掩模，曝光，顯影； j.濺射金；k.浸泡酒精，剝離金屬，得到可變電容極板電極的上電極，然后通過(guò)沉積導(dǎo)線將各壓電陶瓷片的上電極串聯(lián)·1.刻蝕質(zhì)量塊與周壁之間的連接部分，在質(zhì)量塊與周壁之間的連接部分涂正膠，掩模， 曝光，顯影；m.然后DRIE刻蝕質(zhì)量塊與周壁之間的連接部分，刻蝕完成后去膠，在酒精及丙酮溶液中清洗；η.對(duì)SOI片器件的上表面進(jìn)行干法刻蝕，在SOI片器件的上表面旋涂正膠，烘干，制得 SOI片器件的上表面保護(hù)層；ο.在SOI片器件的下表面旋涂正膠作為刻蝕SOI片器件的掩膜； P.接著用DRIE刻蝕SOI片器件，刻蝕至SOI片器件的二氧化硅阻擋層； q.再用BHF溶液腐蝕二氧化硅阻擋層，釋放出質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量塊與周壁之間的連接部分的結(jié)構(gòu)；r.浸泡酒精溶液去除SOI片器件正面的膠膜，從而制得SOI片器件； 第三階段上玻璃片器件制作a.玻璃片清洗，濺射金；b.涂膠、掩模、曝光；c.腐蝕金，腐蝕完畢后留下的金屬圖形作為接下來(lái)刻蝕玻璃片所用的掩模；d.在玻璃片上腐蝕出凹槽，去除金，使玻璃片成為U字形；e.使用BHF溶液，制備出阻隔物，去膠；f.涂膠，兩次曝光，掩模，顯影；g.使用BHF溶液，制備阻隔物，去膠；h.可變電容極板電極的上電極制備，在上玻璃片器件內(nèi)表面濺射金，然后去膠剝離，得到可變電容極板電極，從而制得上玻璃片器件；第四階段裝配a.通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝將SOI片器件的上下兩端面分別與下玻璃片器件和上玻璃片器件鍵合在一起，成為一體；第五階段連接芯片外部電路將各壓電陶瓷片中的1片壓電陶瓷片的電極通過(guò)拉金絲工藝引出2根導(dǎo)線，將該2根導(dǎo)線與所述芯片外部電路連接，將可變電容極板電極通過(guò)拉金絲工藝也引出2根導(dǎo)線，將該2根導(dǎo)線與所述芯片外部電路連接，再連接好芯片外部電路，即制得所述壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器。
7.如權(quán)利要求6所述的一種壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器的制造方法，其特征在于在第一階段的步驟a中，所述玻璃片為7740玻璃片，所述濺射金為濺射金1000A;在第一階段的步驟b中，所述腐蝕金的腐蝕溶液為碘碘化鉀H2O = 1.5g 5g 70ml ；在第一階段的步驟c中，所述腐蝕玻璃片的腐蝕溶液為HNO3 HF H2O =IOOml 70ml 300ml。
8.如權(quán)利要求6所述的一種壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器的制造方法， 其特征在于在第二階段的步驟a中，所述沉積Au層的Au層厚度為0. 9 μ m ；所述規(guī)定尺寸為^mmX ^mm的正方形；在第二階段的步驟b中，所述壓電陶瓷片為PZT5，所述規(guī)定尺寸為20mmX 20mm正方形，厚度為10 μ m ；所述沉積Au層的Au層厚度為0. 9 μ m ；在第二階段的步驟c中，所述金硅共融鍵合的鍵合條件為真空環(huán)境下，壓強(qiáng)0. 8MPa，溫度550°C，鍵合時(shí)間池；在第二階段的步驟d中，所述減薄至規(guī)定尺寸將厚度從10 μ m減薄至1. 5 μ m。在第二階段的步驟e中，所述旋涂正膠是旋涂正膠BP212，勻膠時(shí)間為30秒，轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn) /秒，膠的厚度為1.5μπι;在第二階段的步驟f中，所述刻蝕各壓電陶瓷片，刻蝕溶液配比為 BHF HCL H20 = Iml 25ml 74ml ；其中 BHF 溶液配比為HF NH4F H20 = 28ml 113g 170ml ；第二階段的步驟m中，刻蝕的工藝參數(shù)為SF6流量20mL/min，射頻功率20W，工作氣壓8Pa。
9.如權(quán)利要求6所述的一種壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器的制造方法，其特征在于在第三階段的步驟a中，所述玻璃片為7740玻璃片，所述濺射金為濺射金1000A; 在第三階段的步驟e中，所述阻隔物的深度為2 μ m ；在第三階段的步驟g中，所述阻隔物的深度為2 μ m ；在第三階段的步驟h中，所述濺射金為濺射金3000A。
10.如權(quán)利要求6所述的一種壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器的制造方法，其特征在于在第四階段的步驟a中，所述陽(yáng)極鍵合工藝的條件為電壓600V，溫度370°C，壓力 200N,電流 8mA,時(shí)間 30min。
全文摘要
一種壓電-靜電復(fù)合式微機(jī)械振動(dòng)能量收集器及制造方法，涉及一種能量收集裝置。收集器設(shè)有芯片主體和芯片外部電路；主體為三層片狀結(jié)構(gòu)，主體設(shè)有上玻璃片器件、SOI片器件、下玻璃片器件、壓電陶瓷片組、壓電陶瓷片電極和可變電容極板電極。外部電路設(shè)有整流電路、濾波電容、第一開關(guān)、第二開關(guān)和能量?jī)?chǔ)存電容；或設(shè)有整流電路、濾波電容、第一開關(guān)、第二開關(guān)、能量?jī)?chǔ)存電容以及可變電容極板啟動(dòng)電源。制造方法如下下玻璃片器件制作；SOI片器件制作；上玻璃片器件制作；裝配；連接芯片外部電路。制備過(guò)程較簡(jiǎn)單、可克服傳統(tǒng)的溶膠凝膠制備PZT所帶來(lái)的器件穩(wěn)定性和性能較差等缺點(diǎn)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)能量的寬頻帶和高效率收集。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102570902SQ20121001619
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者傘海生, 王翔, 趙山華, 鄧志強(qiáng) 申請(qǐng)人:廈門大學(xué), 江蘇奧力威傳感高科股份有限公司