物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)電磁自供電微傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)電磁自供電微傳感器，該微傳感器以砷化鎵襯底（1）為襯底，一個(gè)固支梁（3）兩端的固支梁錨區(qū)氮化硅（2）分別固定在砷化鎵襯底（1）上，在固支梁（3）上的兩側(cè)分別設(shè)有三對(duì)懸臂梁（4），該懸臂梁（4）的中間一對(duì)較長(zhǎng)，而兩邊兩對(duì)較短且等長(zhǎng)，外圍設(shè)有整流電路（11）、第一大電容（12）,第二大電容（13）、第一穩(wěn)壓電路（14）和第二穩(wěn)壓電路（15）。本發(fā)明解決了射頻收發(fā)組件中小功率器件的自供電問題，并可以實(shí)現(xiàn)較寬頻帶范圍的振動(dòng)能量的收集，并提高自供電微傳感器的效率，同時(shí)抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抖動(dòng)。另一方面提高了射頻收發(fā)組件的電磁兼容性，提高了自供電微傳感器的效率。
【專利說明】物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)電磁自供電微傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提出了物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)/電磁自供電微傳感器，屬于射頻微電子機(jī)械系統(tǒng)(RF MEMS)的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，為人們生活帶來便利的同時(shí)，也對(duì)科學(xué)技術(shù)不斷地提出挑戰(zhàn)。雖然當(dāng)前各種傳感器的微電子產(chǎn)品在小尺寸、低能耗上取得了巨大的進(jìn)展，但是與之相應(yīng)的微型能源技術(shù)的發(fā)展卻相對(duì)滯后。自供電微傳感器是一種把周圍環(huán)境存在的能量的一種或多種收集起來轉(zhuǎn)換為電能，然后直接給電子器件供電或者存儲(chǔ)在電容器等儲(chǔ)能器件中的器件。在射頻收發(fā)組件的環(huán)境中，不可避免的會(huì)有一些雜散波，而且另一方面振動(dòng)是環(huán)境中普遍存在的一種能量形式，采集這些未被利用的能量完全可以讓射頻收發(fā)組件中功耗較低的電子器件正常工作。通過收集振動(dòng)和電磁波的能量，可以提高射頻收發(fā)組件的電磁兼容性，抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抖動(dòng)并解決射頻收發(fā)組件中小功率器件的自供電問題。得益于微功耗集成電路技術(shù)和MEMS技術(shù)的進(jìn)步，近年來興起的能量收集自供電技術(shù)為解決以上問題提供了參考，使得可以將基于MEMS技術(shù)的自供電微傳感器集成到射頻收發(fā)組件中，從而使利用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)/電磁自供電微傳感器成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)電磁自供電微傳感器，由于天線收集了射頻收發(fā)組件中的雜散波能量，減小了對(duì)系統(tǒng)的電磁干擾，提高了射頻收發(fā)組件的電磁兼容性。而振動(dòng)能量被吸收了一部分，就抑制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抖動(dòng)，提高了射頻收發(fā)組件的可靠性。同時(shí)自供電微傳感器的振動(dòng)也使得其中天線的接收方向有所改變，可以增強(qiáng)電磁能量收集的效率，提高自供電微傳感器的效率。
[0004]技術(shù)方案:該自供電微傳感器主要由一個(gè)固支梁、三對(duì)制作在固支梁兩側(cè)的中間一對(duì)較長(zhǎng)而兩邊兩對(duì)較短且等長(zhǎng)的懸臂梁以及外圍的整流電路、大電容和穩(wěn)壓電路組成。其中在固支梁兩頭根部的上表面和三對(duì)懸臂梁的上表面各有一個(gè)具有上下電極板的壓電薄膜作為振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)，在固支梁和三對(duì)懸臂梁的下表面有雙極子天線作為電磁能量收集結(jié)構(gòu)，將振動(dòng)/電磁能量收集后把儲(chǔ)存的直流電壓通過穩(wěn)壓電路，就可以獲得穩(wěn)定的直流電壓，可以將自供電微傳感器獲得的穩(wěn)定電壓輸出提供給物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中的低功耗器件，從而解決射頻收發(fā)組件中小功率器件的自供電問題。
[0005]本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)電磁自供電微傳感器，其特征在于該微傳感器以砷化鎵襯底為襯底，一個(gè)固支梁兩端的固支梁錨區(qū)氮化硅分別固定在砷化鎵襯底上，在固支梁上的兩側(cè)分別設(shè)有三對(duì)懸臂梁，該懸臂梁的中間一對(duì)較長(zhǎng)，而兩邊兩對(duì)較短且等長(zhǎng)，外圍設(shè)有整流電路、第一大電容，第二大電容、第一穩(wěn)壓電路和第二穩(wěn)壓電路；其中在固支梁兩頭根部的上表面設(shè)有具有上下電極板的壓電薄膜作為固支梁振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)，在三對(duì)懸臂梁的上表面各設(shè)有一個(gè)具有上下電極板的壓電薄膜作為懸臂梁振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)，在固支梁和三對(duì)懸臂梁的下表面設(shè)有雙極子天線作為電磁能量收集結(jié)構(gòu)；對(duì)于固支梁根部和三對(duì)懸臂梁上的振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)具有三種不同固有諧振頻率的梁，從而實(shí)現(xiàn)較寬頻帶范圍的振動(dòng)能量的收集，同時(shí)抑制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抖動(dòng)。
[0006]固支梁的錨區(qū)的材料是氮化硅。固支梁有壓電薄膜的部分和三對(duì)懸臂梁都可以分為五層。最底層是做的雙極子天線，其材料是金。在此之上的一層是由氮化硅構(gòu)成的，在氮化硅層之上附有壓電材料層，并且壓電材料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(gè)電極板。固支梁上沒有壓電薄膜的部分只有三層，下兩層和有壓電薄膜的部分一樣，最上層材料是金，主要起連接壓電薄膜上下表面極板的作用，每個(gè)壓電材料層的上下兩個(gè)極板都通過固支梁的最上層依次以串聯(lián)的方式相連。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。而雙極子天線最后的輸出連接到外圍的整流電路后，再與大電容和穩(wěn)壓電路相接。
[0007]為了能收集多種頻率的振動(dòng)的能量來提高自供電微傳感器的效率，提高頻帶寬度，本發(fā)明中的三對(duì)懸臂梁具有兩種不同的固有諧振頻率。而懸臂梁的諧振頻率的不同是通過懸臂梁長(zhǎng)度上的不同來實(shí)現(xiàn)的。通過設(shè)計(jì)每對(duì)懸臂梁的長(zhǎng)度，從而使得每對(duì)懸臂梁就有了不同的固有諧振頻率。所以對(duì)于有兩種不同長(zhǎng)度的懸臂梁以及固支梁，就有可以設(shè)計(jì)為三種不同的固有諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)較寬頻帶范圍的振動(dòng)能量的收集。將這三個(gè)諧振頻率設(shè)計(jì)得與環(huán)境中振動(dòng)強(qiáng)度最大的三種振動(dòng)的振動(dòng)頻率相同，就可以使振動(dòng)能量的收集效率達(dá)到最高，從而提高了自供電微傳感器的效率，同時(shí)抑制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抖動(dòng)，使其對(duì)射頻收發(fā)組件產(chǎn)生的不利影響減到最小。另一方面由于天線收集了射頻收發(fā)組件中的雜散波能量，減小了對(duì)系統(tǒng)的電磁干擾，提高了射頻收發(fā)組件的電磁兼容性，而振動(dòng)也使得天線的接收方向有所改變，增強(qiáng)了雜散電磁波的能量收集效率，進(jìn)而提高了自供電微傳感器的效率。
[0008]有益效果:本發(fā)明的固支魚刺梁振動(dòng)/電磁自供電微傳感器同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于機(jī)械振動(dòng)能量和雜散電磁波能量這兩種能量的收集，并解決了射頻收發(fā)組件中低功耗器件的自供電問題。而且本發(fā)明可以收集較寬頻帶范圍的振動(dòng)能量，同時(shí)抑制了射頻收發(fā)組件結(jié)構(gòu)的抖動(dòng)。另一方面由于天線收集了射頻收發(fā)組件中的雜散波能量，提高了射頻收發(fā)組件的電磁兼容性，而振動(dòng)又實(shí)現(xiàn)了天線多方向的接收。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)/電磁自供電微傳感器的俯視圖；
[0010]圖2是物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)/電磁自供電微傳感器的A-A’剖面圖；
[0011]圖3是物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)/電磁自供電微傳感器的B-B’剖面圖；
[0012]圖4是物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)/電磁自供電微傳感器的C-C’面向上看的平面圖。
[0013]圖中包括:砷化鎵襯底1，固支梁錨區(qū)氮化硅2，固支梁3，懸臂梁振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)4，固支梁振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)5，雙極子天線6，氮化硅介質(zhì)層7，金層8，壓電材料9，壓電薄膜上極板10,整流電路11,第一大電容12，第二大電容13,第一穩(wěn)壓電路14,第二穩(wěn)壓電路15。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)/電磁自供電微傳感器的具體實(shí)施方案如下:
[0015]以砷化鎵(GaAs)為襯底，在外圍輔以整流電路11、第一大電容12，第二大電容13以及第一穩(wěn)壓電路14，第二穩(wěn)壓電路15。固支梁3的錨區(qū)2制作在砷化鎵襯底I上，在固支梁3上表面的兩側(cè)垂直于邊緣對(duì)稱地做出三對(duì)在固支梁3上間隔相等的懸臂梁4，三對(duì)懸臂梁4中位于固支梁3中間的一對(duì)較長(zhǎng)而兩邊的兩對(duì)較短且等長(zhǎng)，錨區(qū)制作在固支梁3的兩側(cè)邊上。在固支梁3和三對(duì)懸臂梁4的下表面做有雙極子天線6。
[0016]固支梁3的錨區(qū)2的材料是氮化硅。固支梁3有壓電薄膜的部分5和三對(duì)懸臂梁4都可以分為五層。最底層是做的雙極子天線6，其材料是金。在此之上的一層是氮化硅介質(zhì)層7,在氮化娃介質(zhì)層7之上附有壓電材料層9,壓電材料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10和下極板8。固支梁3上沒有壓電薄膜的部分只有三層，下兩層和有壓電薄膜的部分一樣，最上層也是金層8，主要起連接壓電薄膜上下表面極板的作用，每個(gè)壓電材料層的上下兩個(gè)極板10，8都通過固支梁的最上層8依次以串聯(lián)的方式相連。所有壓電材料層串聯(lián)后的總輸出連接到外圍的第一大電容12和第一穩(wěn)壓電路14。而雙極子天線6最后的輸出連接到外圍的整流電路11后，再與第二大電容13和第二穩(wěn)壓電路15相接。
[0017]物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)/電磁自供電微傳感器的制備方法為:
[0018]I)準(zhǔn)備砷化鎵襯底I ;
[0019]2)淀積氮化硅，在砷化鎵襯底上用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積法工藝PECVD生長(zhǎng)氮化娃介質(zhì)層；
[0020]3)光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層，保留錨區(qū)部分的氮化硅介質(zhì)層2 ；
[0021]4)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層:在砷化鎵襯底上涂覆聚酰亞胺犧牲層，填滿所有凹坑，其中，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了 MEMS固支梁與其下方的襯底之間的距離；光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留MEMS固支梁3和其它三對(duì)懸臂梁4下方的犧牲層；
[0022]5)光刻:去除將要制作雙極子天線6區(qū)域的光刻膠；
[0023]6)通過蒸發(fā)鈦/金/鈦方式生長(zhǎng)作為雙極子天線6的金層；
[0024]7)淀積第二層氮化硅；
[0025]8)光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層，保留固支梁3、其它三對(duì)懸臂梁4以及固支梁錨區(qū)2部分的氮化硅介質(zhì)7 ；
[0026]9)通過蒸發(fā)鈦/金/鈦方式生長(zhǎng)作為壓電材料下表面電極的金層8 ；
[0027]10)涂覆光刻膠，去除非下極板8和金連線層處的光刻膠；
[0028]11)反刻鈦/金/鈦形成壓電材料層的下極板8和固支梁氮化硅表面的金連線；
[0029]12)在固支梁和其它三對(duì)懸臂梁上制備壓電材料層9 ；
[0030]13)通過蒸發(fā)反刻形成壓電材料層的上極板10和固支梁氮化硅表面的金連線；[0031]14)釋放聚酰亞胺犧牲層:顯影液浸泡，去除MEMS各懸臂梁下的聚酰亞胺犧牲層，去離子水浸泡，無水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干，得到固支魚刺梁振動(dòng)/電磁自供電微傳感器。
[0032]區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下:
[0033]本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)/電磁自供電微傳感器的結(jié)構(gòu)主要是以砷化鎵為襯底1，由一個(gè)固支梁3、三對(duì)制作在固支梁兩側(cè)的中間一對(duì)較長(zhǎng)而兩邊兩對(duì)較短且等長(zhǎng)的懸臂梁4組成，其中在固支梁3兩頭根部的上表面和三對(duì)懸臂梁4的上表面各有一個(gè)具有上下電極板的壓電薄膜作為振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)，在固支梁3和三對(duì)懸臂梁4的下表面有雙極子天線6作為電磁能量收集結(jié)構(gòu)。
[0034]該自供電微傳感器同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于機(jī)械振動(dòng)能量和雜散電磁波能量這兩種能量收集的功能。對(duì)于固支梁3根部和三對(duì)懸臂梁4上的振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)具有三種不同固有諧振頻率的梁，從而實(shí)現(xiàn)較寬頻帶范圍的振動(dòng)能量的收集，同時(shí)抑制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抖動(dòng)。另一方面由于天線收集了射頻收發(fā)組件中的雜散波能量，提高了射頻收發(fā)組件的電磁兼容性，而且振動(dòng)實(shí)現(xiàn)了天線多方向的接收。
[0035]滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)/電磁自供電微傳感器。
【權(quán)利要求】
1.一種物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件固支魚刺梁振動(dòng)電磁自供電微傳感器，其特征在于該微傳感器以砷化鎵襯底(I)為襯底，一個(gè)固支梁(3)兩端的固支梁錨區(qū)氮化硅(2)分別固定在砷化鎵襯底(I)上，在固支梁(3)上的兩側(cè)分別設(shè)有三對(duì)懸臂梁(4)，該懸臂梁(4)的中間一對(duì)較長(zhǎng)，而兩邊兩對(duì)較短且等長(zhǎng)，外圍設(shè)有整流電路(11)、第一大電容(12)，第二大電容(13)、第一穩(wěn)壓電路(14)和第二穩(wěn)壓電路(15);其中在固支梁(3)兩頭根部的上表面設(shè)有具有上下電極板的壓電薄膜作為固支梁振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)(5)，在三對(duì)懸臂梁(4)的上表面各設(shè)有一個(gè)具有上下電極板的壓電薄膜作為懸臂梁振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)(5)，在固支梁(3)和三對(duì)懸臂梁(4)的下表面設(shè)有雙極子天線(6)作為電磁能量收集結(jié)構(gòu)；對(duì)于固支梁(3)根部和三對(duì)懸臂梁(4)上的振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)具有三種不同固有諧振頻率的梁，從而實(shí)現(xiàn)較寬頻帶范圍的振動(dòng)能量的收集，同時(shí)抑制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抖動(dòng)；而天線收集了射頻收發(fā)組件中的雜散波能量，提高了射頻收發(fā)組件的電磁兼容性，而且振動(dòng)實(shí)現(xiàn)了天線多方向的接收。
【文檔編號(hào)】B81B3/00GK103818869SQ201410058498
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月20日
【發(fā)明者】廖小平, 吳昊 申請(qǐng)人:東南大學(xué)