物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動電磁自供電微傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動/電磁自供電微傳感器，集成了壓電換能器和整流天線系統(tǒng)兩種能量收集自供電模塊，分別對機械振動能和雜散電磁能起到收集、轉換和儲能的作用。該發(fā)明以砷化鎵為襯底，由MEMS固支梁、濾波電路、整流電路和儲能電容組成。MEMS固支梁從上往下共有五層：上電極，壓電薄膜，下電極，氮化硅電介質層和矩形微帶貼片天線。該發(fā)明中兩種模塊的集成能夠相互補充，微帶天線結構用作質量塊增強梁振動的慣性力和形變，隨著梁的振動能夠擴展微帶貼片天線收集能量的方向性范圍。該發(fā)明提高了能量收集效率和供電能力，為解決低功耗系統(tǒng)的自供電問題提供有效方案，增強系統(tǒng)的電磁兼容性能，減少了系統(tǒng)結構的抖動。
【專利說明】物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動電磁自供電微傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明提出了物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動/電磁自供電微傳感器，屬于微電子機械系統(tǒng)的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著物聯網、微機械系統(tǒng)(MEMS)和無線傳感網等微型智能系統(tǒng)領域的不斷進步與發(fā)展，對小型化、自供電、低功耗方面的要求越來越高。近年來興起的能量收集自供電傳感技術為解決以上問題提供了有效方案。得益于微功耗集成電路技術和微機電系統(tǒng)(MEMS)的進步，微型能量收集自供電傳感技術已經成為一個重要的研究領域并且發(fā)展迅速，越來越多的受到人們的關注。能量收集自供電傳感技術利用環(huán)境中存在的各種能量，將其轉換為電能并儲存起來，為電子系統(tǒng)提供電力，這些能量主要包括太陽能、機械振動能、電磁能、熱能等。目前物聯網、無線傳感網絡和便攜無線終端等領域仍然依靠傳統(tǒng)的電池供電來持續(xù)工作。傳統(tǒng)電池存在明顯的缺陷:一是相對于微型傳感器件其尺寸和重量仍然太大，限制了微傳感器的進一步微型化；二是供能壽命有限，使用一段時間后需要更換電池或者充電，在很多情況下更換電池是器件結構和系統(tǒng)所不允許的；三是大量電池的使用會對環(huán)境造成危害。這種解決方案的供電壽命理論上取決于組成能量收集器的器件結構的壽命，沒有額外消耗能源，沒有排放，大大延長了系統(tǒng)的工作壽命，是典型的綠色能源技術，使得實現自供電的智能微型系統(tǒng)成為可能。射頻收發(fā)組件是物聯網、無線傳感網絡和無線終端設備中的重要組成部分，其工作環(huán)境中存在可觀的雜散電磁場能和機械振動能。本發(fā)明是物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動/電磁自供電微傳感器，采用兩種模式的能量收集技術實現同時對雜散電磁能和機械振動能的收集。

【發(fā)明內容】

[0003]技術問題:為了解決低功耗微型智能系統(tǒng)(如物聯網)的自供電問題，提高從射頻收發(fā)組件工作環(huán)境中收集能量的效率，增強能量收集器的供電能力，同時減少雜散磁場和機械振動對系統(tǒng)工作和器件結構的影響，提高系統(tǒng)的電磁兼容性，抑制系統(tǒng)結構的抖動，本發(fā)明提出一種物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動電磁自供電微傳感器。
[0004]技術方案:本發(fā)明的雙模式能量收集自供電技術是將機械振動壓電能量收集和雜散磁場電磁能量收集模塊相結合的系統(tǒng)，兩種能量收集模塊的集成能夠起到相互補充的作用；功能上由壓電換能器和整流天線系統(tǒng)組成，分別針對機械振動能和雜散電磁能起到能量收集、轉換和儲能的作用。
[0005]本發(fā)明的物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動電磁自供電微傳感器，在砷化鎵襯底上設有兩個錨區(qū)，一個中間寬兩邊窄的MEMS固支梁的兩端分別固定在兩個錨區(qū)上，該MEMS固支梁共由五層結構組成，從上往下依次為:上電極，壓電薄膜，下電極，氮化硅電介質層、矩形微帶貼片天線；由上電極，壓電薄膜，下電極構成壓電轉換模塊，在MEMS固支梁的外圍輔以濾波電路、整流電路和儲能電容，同時實現針對機械振動能和雜散電磁能這兩種能量收集模塊的集成，解決了低功耗系統(tǒng)的自供電問題。系統(tǒng)中兩種能量收集模塊相互影響，矩形微帶貼片天線用作質量塊增強梁振動的慣性力和形變，梁的振動能夠擴展矩形微帶貼片天線收集能量的方向性范圍。
[0006]MEMS固支梁以砷化鎵(GaAs)為襯底，共有五層結構組成，從上往下依次為:上電極(Au),壓電薄膜,下電極(Au),氮化娃電介質層和矩形微帶貼片天線(Au)。固支梁結構中間寬兩邊窄。固支梁用于集成壓電換能器和整流天線系統(tǒng)兩種能量收集模塊。
[0007]壓電換能器由上電極、壓電薄膜、下電極、整流電路和儲能電容組成，由兩個壓電轉換模塊相互串聯構成，即一個壓電轉換模塊的下電極串聯另一個壓電轉換模塊的上電極，電壓從前一個壓電轉換模塊的上電極和后一個壓電轉換模塊的下電極引出。上電極和下電極分別覆蓋在兩個壓電薄膜的上下表面，上電極、下電極和壓電薄膜位于固支梁的最大應力處，固支梁靠近錨區(qū)的位置，即固支梁的兩端各有一個壓電換能器結構。固支梁中間較寬的部分作為矩形微帶貼片天線的制作平臺，沒有放置壓電換能器結構，用作固支梁結構中的質量塊發(fā)揮作用，以增強固支梁振動時的慣性力和形變。當固支梁發(fā)生振動時會在壓電薄膜的上下表面產生電荷，通過上電極和下電極的串聯把兩個壓電換能器的輸出電壓疊加起來。壓電換能器輸出的電壓送到整流電路進行交直流變換；最后送到儲能電容用于向系統(tǒng)供電。壓電換能器是將機械振動轉換為直流電能，并能減小機械振動對系統(tǒng)結構和器件造成的損耗。
[0008]整流天線系統(tǒng)由矩形微帶貼片天線、濾波電路、整流電路和儲能電容組成。微帶貼片天線位于固支梁中間較寬的部分，包括接地板、電介質層和金屬貼片三層。矩形微帶貼片天線接收到的環(huán)境雜散電磁波能量經過濾波電路和整流電路，轉換為直流能量，然后送到儲能電容。隨著MEMS固支梁的振動，矩形微帶貼片天線的方向性會有變化，從而擴大了天線收集雜散電磁波能量的方向性范圍。
[0009]物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動/電磁自供電微傳感器的制備方法:首先準備砷化鎵襯底，在襯底上用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)法淀積氮化硅介質層并光刻以生長錨區(qū)，在砷化鎵襯底上用涂覆方式淀積聚酰亞胺犧牲層并光刻以便于生長固支梁五層結構:在聚酰亞胺層上用蒸發(fā)淀積方式淀積第一層金并光刻形成微帶貼片天線的結構，在第一層金上用PECVD法淀積氮化硅介質層并光刻形成微帶天線的電介質基板，在氮化硅介質層上方用蒸發(fā)淀積方式淀積第二層金并光刻生成微帶天線的接地板金屬層同時也作為壓電換能器的部分電極，在第二層金上用化學溶液淀積法淀積壓電材料以生成壓電換能器的壓電薄膜層，在壓電薄膜上用蒸發(fā)淀積方式蒸發(fā)淀積第三層金并光刻生成壓電換能器的另外一部分電極，用濕法刻蝕釋放聚酰亞胺犧牲層生成固支梁與襯底之間的空氣層。最后通過封裝完成固支梁和濾波電路、整流電路和儲能裝置的連接。
[0010]有益效果:本發(fā)明的物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動/電磁自供電微傳感器同時實現針對機械振動能和雜散電磁能這兩種能量收集模塊的集成，為解決低功耗系統(tǒng)的自供電問題提供有效方案，不但減小了系統(tǒng)的尺寸和重量，實現系統(tǒng)的功能最大化，而且隨著梁的振動能夠擴展整流天線收集電磁能的方向性范圍。同時，本發(fā)明能夠提高系統(tǒng)的電磁兼容性，抑制系統(tǒng)結構的抖動。
【專利附圖】

【附圖說明】[0011]圖1為物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動電磁自供電微傳感器的頂視平面圖；
[0012]圖2為物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動電磁自供電微傳感器的底視平面圖；
[0013]圖3為圖1-2物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動電磁自供電微傳感器沿A-A’方向的縱向剖面圖；
[0014]圖中包括:上電極1，壓電薄膜2，下電極7，氮化硅電介質層3，矩形微帶貼片天線4，錨區(qū)5，砷化鎵襯底6，濾波電路8，整流電路9，儲能電容IO。
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明的的物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動/電磁自供電微傳感器的具體實施方案如下:
[0016]在砷化鎵襯底6上設有:MEMS固支梁，在固支梁的外圍輔以濾波電路8、整流電路9以及儲能電容10。
[0017]MEMS固支梁共有五層結構組成，從上往下依次為:上電極1，壓電薄膜2，下電極7，氮化硅電介質層3和矩形微帶貼片天線4。固支梁結構中間寬兩邊窄。固支梁用于集成壓電換能器和整流天線系統(tǒng)兩種能量收集模塊。上電極I和下電極7采用的材料是Au。
[0018]壓電換能器由上電極1，壓電薄膜2，下電極7，整流電路9和儲能電容10組成，由兩個壓電轉換模塊的串聯，即一個壓電轉換模塊的下電極7串聯另一個壓電轉換模塊的上電極I，電壓從前一個壓電轉換模塊的上電極I和后一個壓電轉換模塊的下電極7引出。上電極I和下電極7分別覆蓋在兩個壓電薄膜2的上下表面，上電極1、下電極7和壓電薄膜2位于固支梁的最大應力處，固支梁靠近錨區(qū)5的位置，即固支梁的兩端各有一個壓電換能器結構。固支梁中間較寬的部分作為矩形微帶貼片天線4的制作平臺，沒有放置壓電換能器結構，用作固支梁結構中的質量塊發(fā)揮作用，以增強固支梁振動時的慣性力和形變。當固支梁發(fā)生振動時會在壓電薄膜2的上下表面產生電荷，通過上電極I和下電極7的串聯把兩個壓電換能器的輸出電壓疊加起來。壓電換能器輸出的電壓送到整流電路9進行交直流變換；最后送到儲能電容10用于向系統(tǒng)供電。壓電換能器是將機械振動轉換為直流電能，并能減小機械振動對系統(tǒng)結構和器件造成的損耗。
[0019]整流天線系統(tǒng)由矩形微帶貼片天線4、濾波電路8、整流電路9和儲能電容10組成。矩形微帶貼片天線4位于固支梁中間較寬的部分。矩形微帶貼片天線4接收到的周圍環(huán)境電磁波能量經過濾波電路8和整流電路9，轉換為直流能量，然后送到儲能電容10。隨著MEMS固支梁的振動，矩形微帶貼片天線4的方向性會有變化，從而擴大了天線收集電磁波能量的方向性范圍。
[0020]物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動/電磁自供電微傳感器的制備方法:首先準備砷化鎵襯底，在襯底上用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)法淀積氮化硅介質層并光刻以生長錨區(qū)，在砷化鎵襯底上用涂覆方式淀積聚酰亞胺犧牲層并光刻以便于生長固支梁五層結構:在聚酰亞胺層上用蒸發(fā)淀積方式淀積第一層金并光刻形成微帶貼片天線的結構，在第一層金上用PECVD法淀積氮化硅介質層并光刻形成微帶天線的電介質基板，在氮化硅介質層上方用蒸發(fā)淀積方式淀積第二層金并光刻生成微帶天線的接地板金屬層同時也作為壓電換能器的部分電極，在第二層金上用化學溶液淀積法淀積壓電材料以生成壓電換能器的壓電薄膜層，在壓電薄膜上用蒸發(fā)淀積方式淀積第三層金并光刻生成壓電換能器的另外一部分電極，用濕法刻蝕釋放聚酰亞胺犧牲層生成固支梁與襯底之間的空氣層。最后通過封裝完成固支梁和濾波電路、整流電路和儲能電容的連接。
[0021]區(qū)分是否為該結構的標準:本發(fā)明的物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動/電磁自供電微傳感器，集成了針對機械振動能和雜散電磁能這兩種能量收集模塊，能夠同時收集機械振動能和雜散電磁能，轉換為直流能量實現系統(tǒng)自供電。兩種能量收集自供電技術的集成還起到相互補充的作用:矩形微帶貼片天線結構用作質量塊以增強固支梁振動時的慣性力和形變，從而增加壓電換能器的輸出電能；而固支梁振動時會改變矩形微帶貼片天線的接收方向，從而擴大收集電磁能的方向性范圍。
[0022]滿足以上條件的結構即視為本發(fā)明的物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動/電磁自供電微傳感器。
【權利要求】
1.一種物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動電磁自供電微傳感器，其特征是在砷化鎵襯底(6)上設有兩個錨區(qū)(5)，一個中間寬兩邊窄的MEMS固支梁的兩端分別固定在兩個錨區(qū)(5)上，該MEMS固支梁共由五層結構組成，從上往下依次為:上電極(1)，壓電薄膜(2)，下電極(7)，氮化硅電介質層(3)、矩形微帶貼片天線及饋線(4);由上電極(1)，壓電薄膜(2)，下電極(7)構成壓電轉換模塊，在MEMS固支梁的周圍輔以濾波電路(8)、整流電路(9)和儲能電容(10)，同時實現針對機械振動能和雜散電磁能這兩種能量收集模塊的集成，解決了低功耗系統(tǒng)的自供電問題。
2.根據權利要求1所述的物聯網射頻收發(fā)組件中固支梁振動電磁自供電微傳感器，其特征是所述的上電極、壓電薄膜、下電極、整流電路和儲能電容組成壓電換能器，該壓電換能器由兩個壓電轉換模塊相互串聯構成，即一個壓電轉換模塊的下電極串聯另一個壓電轉換模塊的上電極，電壓從前一個壓電轉換模塊的上電極和后一個壓電轉換模塊的下電極引出；上電極和下電極分別覆蓋在兩個壓電薄膜的上下表面，上電極、下電極和壓電薄膜位于固支梁的最大應力處，固支梁靠近錨區(qū)的位置，即固支梁的兩端各有一個壓電換能器結構；固支梁中間較寬的部分作為矩形微帶貼片天線的制作平臺，沒有放置壓電換能器結構，用作固支梁結構中的質量塊發(fā)揮作用，以增強固支梁振動時的慣性力和形變。當固支梁發(fā)生振動時會在壓電薄膜的上下表面產生電荷，通過上電極和下電極的串聯把兩個壓電換能器的輸出電壓疊加起來，壓電換能器輸出的電壓送到整流電路進行交直流變換；最后送到儲能電容用于向系統(tǒng)供電，壓電換能器是將機械振動轉換為直流電能，并能減小機械振動對系統(tǒng)結構和器件造成的損耗。
【文檔編號】B81C1/00GK103825494SQ201410058839
【公開日】2014年5月28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, 王文巖 申請人:東南大學