物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的射頻收發(fā)機中的開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器，由一個主懸臂梁、8個副懸臂梁以及外圍大電容和穩(wěn)壓電路組成。副懸臂梁制作在主懸臂梁兩側的自由邊上。8個副懸臂梁上開有不同半徑、間距以及數(shù)量的圓孔。本發(fā)明不僅具有傳統(tǒng)的梁結構振動能自供電傳感器的不發(fā)熱、結構簡單、無電磁干擾、清潔環(huán)保，機電轉換效率高、輸出電壓高等諸多優(yōu)點，而且由于振動能被收集，射頻收發(fā)組件工作時不必要的抖動被抑制，增加了其工作的穩(wěn)定性。同時，通過設計副懸臂梁上的開孔的半徑、間距以及數(shù)量來使得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，更適用于振動頻率復雜多變的振動環(huán)境，提高了能量收集效率和供電能力。
【專利說明】物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明提出了物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器，屬于微電子機械系統(tǒng)的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，射頻收發(fā)組件被要求能夠長時間低功耗地工作，因此射頻收發(fā)組件的能量損耗的研究在物聯(lián)網(wǎng)技術研究中是必不可少的。在常見的射頻收發(fā)組件的能量損耗中，組件振動所造成的能量的損耗是一大關鍵。振動能的收集也引起了國內外的越來越多的關注?，F(xiàn)有的振動能收集器可將環(huán)境中的振動能轉化為電能，具有綠色環(huán)保，結構簡單，免維護，成本低等優(yōu)點，已成為微能源領域的主要研究方向。同時，隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的集成度越來越高，收發(fā)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。得益于MEMS技術的發(fā)展，未來的微系統(tǒng)將具有更小的體積、更低的功耗和更高的集成度。因此，MEMS技術加工的振動能收集器對于降低未來通信系統(tǒng)的能量損耗將發(fā)揮巨大的作用。基于振動能收集器設計的振動能自供電微傳感器即是利用收集振動能的方式來為工作電路提供輔助電源的新型傳感器。
[0003]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。其中，壓電式具有結構簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、清潔環(huán)保，機電轉換效率高、輸出電壓高等諸多優(yōu)點，因而獲得了廣泛的關注。在目前眾多的壓電振動能收集結構中，懸臂梁結構發(fā)展較為成熟。主要是因為其結構簡單且便于加工制作。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(fā)生諧振，使得梁上的壓電材料層發(fā)生較大的彎曲，壓電材料的上下表面產(chǎn)生電勢差，從而把振動的能量轉化為了電能。本發(fā)明即是基于懸臂梁結構設計的振動能自供電微傳感器。

【發(fā)明內容】

[0004]技術問題:本發(fā)明的目的是提供一種物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器，不僅能有效的改善振動能量的損耗，為電路提供輔助的電源，并且由于振動能量被吸收了，某些射頻組件的振動將會減弱，這樣將會有利于這些射頻組件的穩(wěn)定工作。
[0005]技術方案:射頻收發(fā)組件工作中發(fā)生的抖動通常會對其工作性能產(chǎn)生不利的影響，一般懸臂梁的固有諧振頻率都高于而環(huán)境的振動頻率，所以直接利用簡單的懸臂梁結構的諧振來收集振動能實現(xiàn)自供電和抑制抖動具有一定局限性。單個梁振動能量收集器諧振時具有高的輸出性能，但其諧振頻率不能隨環(huán)境的振動頻率變化而改變，且頻帶寬度較窄，無法在頻率變化較大的振動環(huán)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振動能自供電傳感器的微型化。
[0006]本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器以砷化鎵襯底為基底，由一個主懸臂梁和八個尺寸相同的副懸臂梁構成，主懸臂梁的一端通過主懸臂梁的錨區(qū)固定在砷化鎵襯底上，副懸臂梁的錨區(qū)制作在主懸臂梁兩側的自由邊上，每一側以相同的間隔分布有四個副懸臂梁，每個副懸臂梁的固有諧振頻率都是不同，通過設計不同副懸臂梁上的圓孔的半徑，相鄰圓孔圓心的間距以及孔的數(shù)量，可以調整每個副懸臂梁的楊氏模量，泊松比還有密度，所以對于八個相同尺寸的副懸臂梁，就可以設計八種不同的固有諧振頻率；主懸臂梁的最下面是氮化硅層，氮化硅層的上面是下極板，下極板的上面是壓電材料層，壓電材料層的上面是上極板，上極板的引線引出到固支梁的表面時，有一段懸空的引線，以保證上極板不與壓電材料層的下表面接觸，所有壓電材料層串聯(lián)后的總輸出連接到外圍的大電容和穩(wěn)壓電路。
[0007]所述的副懸臂梁都開有一行圓孔，沿副懸臂梁的長度方向排列，同一個副懸臂梁上的圓孔的圓心在一條直線上，且相鄰圓孔的圓心的間距相同，同一個副懸臂梁上的圓孔的半徑相同；主懸臂梁其中一側的4個副懸臂梁上圓孔的直徑都為8 μ m,但對于這4個副懸臂梁，不同副懸臂梁上的相鄰圓孔的圓心間距不同，分別為8 μ m, 10 μ m, 12 μ m和14 μ m,而對于主懸臂梁另一側的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，相鄰圓孔圓心間距分別為6μηι和8 μ m,另外兩個副懸臂梁設計了直徑為12 μ m的圓孔,相鄰圓孔圓心間距分別為6 μ m和8 μ m這種具有多種固有諧振頻率的設計能使收集的振動頻率帶寬增加，抑制了射頻收發(fā)組件工作中不必要的抖動。
[0008]主懸臂梁和副懸臂梁可以分為4層。最底層是氮化硅，在氮化硅層上附有壓電材料層，壓電材料選用PbTiZr03，壓電材料層的上表面和下表面均有金層與其接觸作為電壓輸出的上下兩個極板。每個壓電材料層的上下兩個極板有金線引出。壓電材料層通過引出的金線相互串聯(lián)。上極板的金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。所有壓電材料層串聯(lián)后的總輸出連接到外圍的大電容和穩(wěn)壓電路。
[0009]為了能收集多種頻率的振動的能量，提高頻帶寬度，本發(fā)明中設計了具有8種不同的固有諧振頻率的副懸臂梁。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的打孔處理來實現(xiàn)的。通過設計每個副懸臂梁上的圓孔半徑，相鄰圓孔圓心的間距以及孔的數(shù)量，來設計每個副懸臂梁的楊氏模量，泊松比還有密度的值，從而每個副懸臂梁就可以被設計出具有不同的固有諧振頻率。所以對于8個相同尺寸副懸臂梁，就有可以設計8中不同的固有諧振頻率。同時打孔處理能夠減小副懸臂梁的固有諧振頻率。
[0010]大多數(shù)射頻收發(fā)組件會在工作過程中發(fā)生一定的振動，且這種振動一般不是單個頻率的振動，而是多種不同振動頻率的振動的疊加。而對于本發(fā)明中的主懸臂梁和副懸臂梁結構，我們可以設計8個副懸臂梁的固有諧振頻率分別與環(huán)境中振動強度最大的8種振動的振動頻率相匹配。這樣，在射頻收發(fā)組件的振動的激勵下，副懸臂梁會發(fā)生諧振，產(chǎn)生較大的彎曲形變，同時也使得梁上的壓電材料層發(fā)生形變。從而壓電材料層的上下表面將產(chǎn)生電勢差。由于所有壓電材料層都是相互串聯(lián)的，因此每個梁上的壓電材料層的輸出電壓疊加后輸出到外圍的電容和穩(wěn)壓電路。
[0011]有益效果:本發(fā)明不僅能有效的改善振動能量的損耗，為電路提供輔助的電源，并且由于振動能量被吸收了，某些射頻組件的振動將會減弱，這樣將會有利于這些射頻組件的穩(wěn)定工作。同時，本發(fā)明具有多個固有諧振頻率，收集的振動頻帶寬，能量的收集效率高，能夠很好地提高了射頻收發(fā)組件的性能，降低功耗?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器的示意圖
[0013]圖2為圖1開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器的p-p’向的剖面圖
[0014]圖3為圖1開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器主懸臂梁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(qū)3，砷化鎵襯底4，氮化硅層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(wěn)壓電路11，懸空的引線12。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器以砷化鎵襯底4為基底，由一個主懸臂梁I和八個尺寸相同的副懸臂梁2構成，主懸臂梁I的一端通過主懸臂梁的錨區(qū)3固定在砷化鎵襯底4上，副懸臂梁2的錨區(qū)制作在主懸臂梁I兩側的自由邊上，每一側以相同的間隔分布有四個副懸臂梁2，每個副懸臂梁2的固有諧振頻率都是不同，通過設計不同副懸臂梁2上的圓孔6的半徑，相鄰圓孔6圓心的間距以及孔的數(shù)量，可以調整每個副懸臂梁2的楊氏模量，泊松比還有密度，所以對于八個相同尺寸的副懸臂梁2，就可以設計八種不同的固有諧振頻率；主懸臂梁I的最下面是氮化硅層5，氮化硅層5的上面是下極板9，下極板9的上面是壓電材料層7，壓電材料層7的上面是上極板8，上極板8的引線10引出到固支梁I的表面時，有一段懸空的引線12，以保證上極板8不與壓電材料層7的下表面接觸，所有壓電材料層7串聯(lián)后的總輸出連接到外圍的大電容和穩(wěn)壓電路11。
[0017]所述的副懸臂梁2開有一行圓孔6，沿副懸臂梁2的長度方向排列，同一個副懸臂梁2上的圓孔6的圓心在一條直線上，且相鄰圓孔6的圓心的間距相同，同一個副懸臂梁2上的圓孔6的半徑相同；主懸臂梁I其中一側的4個副懸臂梁2上圓孔6的直徑都為8 μ m,但對于這4個副懸臂梁2，不同副懸臂梁2上的相鄰圓孔6的圓心間距不同，分別為8 μ m,ΙΟμπι, 12μηι和14 μ m,而對于主懸臂梁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,相鄰圓孔6圓心間距分別為6 μ m和8 μ m,另外兩個副懸臂梁2設計了直徑為12 μ m的圓孔6，相鄰圓孔6圓心間距分別為6 μ m和8 μ m這種具有多種固有諧振頻率的設計能使收集的振動頻率帶寬增加，抑制了射頻收發(fā)組件工作中不必要的抖動。
[0018]主懸臂梁I和副懸臂梁2可以分為4層。最底層是氮化硅構成。在氮化硅層5之上附有壓電材料層7，壓電材料選用PbTiZrO3，壓電材料層7的上表面和下表面均有金層與其接觸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都有金線10引出，壓電材料層7通過引出的金線相互串聯(lián)。上極板8的金線10引出到主懸臂梁I的表面時，有一段懸空的引線12，以保證上電極8不與壓電材料層7的下表面接觸。所有壓電材料層7串聯(lián)后的總輸出連接到外圍的大電容和穩(wěn)壓電路11。
[0019]對于本發(fā)明中的主懸臂梁I和副懸臂梁2結構，我們可以根據(jù)射頻收發(fā)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(fā)組件的振動的激勵下發(fā)生諧振，產(chǎn)生較大的彎曲形變，同時也使得梁上的壓電材料層7發(fā)生形變。從而壓電材料層7的上下表面將產(chǎn)生電勢差。并且所有壓電材料層7都是以串聯(lián)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(wěn)壓電路5。
[0020]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(xiàn)的。通過設計每個副懸臂梁2上的圓孔6的半徑，相鄰圓孔6圓心的間距以及圓孔的數(shù)量，來設計每個副懸臂梁2的楊氏模量，泊松比還有密度的值，從而每個副懸臂梁2就有了不同的固有諧振頻率。所以對于8個相同尺寸副懸臂梁2，就有可以設計8中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。
[0021]本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器的制備方法包括以下幾個步驟:
[0022]1)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 / □;
[0023]2)淀積氮化硅，在砷化鎵襯底上用等離子體增強型化學氣相淀積法工藝PECVD生長氮化娃層5 ；
[0024]3)光刻并刻蝕氮化硅介質，保留主懸臂梁1、副懸臂梁2的氮化硅介質，并去除副懸臂梁2上的打孔部位的氮化硅介質；
[0025]4)通過蒸發(fā)鈦/金/鈦方式生長作為壓電材料層7下表面電極的金層；
[0026]5)涂覆光刻膠，去除主懸臂梁I和副懸臂梁2不打孔部分的光刻膠；
[0027]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氮化硅表面的金連線.-^4 ，
[0028]7)在主懸臂梁I和副懸臂梁2上制備壓電材料層7 ；
[0029]8)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留上極板8懸空的引線12部分的犧牲層；
[0030]9)通過蒸發(fā)反刻形成壓電材料層7的上極板8和主懸臂梁I氮化硅表面的金連線.-^4 ，
[0031]10)將該砷化鎵襯底4背面減薄至100 μ m ;
[0032]11)在砷化鎵襯底4的背面涂覆光刻膠，去除主懸臂梁I和副懸臂梁2下方的砷化鎵的光刻膠；
[0033]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 ;
[0034]本發(fā)明與現(xiàn)有技術的區(qū)別在于:
[0035]本發(fā)明物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器由多個不同固有諧振頻率的副懸臂梁和一個主懸臂梁構成。在振動環(huán)境中，主懸臂梁和不同的副懸臂梁在不同的諧振頻率點出發(fā)生諧振，使得副懸臂梁和主懸臂梁的壓電材料會由于梁的振動發(fā)生彎曲形變，因而在壓電材料上下表面產(chǎn)生電勢差，并通過上電極和下電極輸出。主懸臂梁和副懸臂梁上的壓電材料使用串聯(lián)的方式連接，電壓疊加后輸出到外圍的大電容及穩(wěn)壓電路，從而實現(xiàn)了振動能到電能的轉換。
[0036]本發(fā)明物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器有9個不同的諧振頻率點，所以其所能收集的振動頻率帶寬增加，更適用于頻率變化大、振動模式復雜的振動環(huán)境中的振動能量的收集。在本發(fā)明中，通過在副懸臂梁上設計不同圓孔，包括其半徑、相鄰圓孔圓心間距以及數(shù)量，來調整每個尺寸相同的副懸臂梁的楊氏模量，泊松比還有密度，從而使每個副懸臂梁有了不同的固有諧振頻率。由于環(huán)境的振動的頻率一般要比非打孔梁的諧振頻率低很多，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，所以打孔不僅可以方便有效地設計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。
[0037]滿足以上條件的結構即視為本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器。
【權利要求】
1.一種物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器，其特征是該微傳感器以砷化鎵襯底(4)為基底，由一個主懸臂梁(I)和八個尺寸相同的副懸臂梁(2)構成，主懸臂梁(I)的一端通過主懸臂梁的錨區(qū)(3)固定在砷化鎵襯底(4)上，副懸臂梁(2)的錨區(qū)制作在主懸臂梁(I)兩側的自由邊上，每一側以相同的間隔分布有四個副懸臂梁(2)，每個副懸臂梁(2)的固有諧振頻率都是不同，通過設計不同副懸臂梁(2)上的圓孔(6)的半徑，相鄰圓孔(6)圓心的間距以及孔的數(shù)量，可以調整每個副懸臂梁(2)的楊氏模量，泊松比還有密度，所以對于八個相同尺寸的副懸臂梁(2)，就可以設計八種不同的固有諧振頻率；主懸臂梁(I)的最下面是氮化硅層(5)，氮化硅層(5)的上面是下極板(9)，下極板(9)的上面是壓電材料層(7)，壓電材料層(7)的上面是上極板(8)，上極板(8)的引線(10)引出到固支梁(I)的表面時，有一段懸空的引線(12)，以保證上極板(8)不與壓電材料層(7)的下表面接觸，所有壓電材料層(7)串聯(lián)后的總輸出連接到外圍的大電容和穩(wěn)壓電路(11)。
2.根據(jù)權利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中開孔懸臂梁振動能自供電微傳感器，其特征是所述的副懸臂梁(2)開有一行圓孔(6)，沿副懸臂梁(2)的長度方向排列，同一個副懸臂梁(2)上的圓孔(6)的圓心在一條直線上，且相鄰圓孔(6)的圓心的間距相同，同一個副懸臂梁(2)上的圓孔(6)的半徑相同；主懸臂梁(I)其中一側的4個副懸臂梁(2)上圓孔(6)的直徑都為8 μ m，但對于這4個副懸臂梁(2)，不同副懸臂梁(2)上的相鄰圓孔(6)的圓心間距不同，分別為8 μ m, 10 μ m, 12 μ m和14 μ m,而對于主懸臂梁(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)，相鄰圓孔(6)圓心間距分別為6 μ m和8 μ m,另外兩個副懸臂梁(2)設計了直徑為12 μ m的圓孔(6),相鄰圓孔(6)圓心間距分別為6 μ m和8 μ m這種具有多種固有諧振頻率的設計能使收集的振動頻率帶寬增加，抑制了射頻收發(fā)組件工作中不必要的抖動。
【文檔編號】B81B3/00GK103840706SQ201410057825
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月20日 優(yōu)先權日:2014年2月20日
【發(fā)明者】廖小平, 王凱悅 申請人:東南大學