六维压电式能量收集器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种六维压电式能量收集器及其制作方法，该能量收集器以单晶硅为衬底，在衬底上设计有支持梁、主悬臂梁、一对第一副悬臂梁、两对第二副悬臂梁以及悬臂梁两侧的质量块、悬臂梁上的压电层。支持梁负责连接能量收集器和衬底，每个悬臂梁两端均设置有质量块，可以控制质量块的尺寸及质量来控制悬臂梁的谐振频率，同时可以加大悬臂梁的振幅，质量块还起着悬臂梁之间的连接作用。每个悬臂梁的表面设有压电材料层，在悬臂梁接收外界振动产生形变的同时，压电材料伴随悬臂梁同时振动发生形变，此时压电材料两端将产生一定的电势差，同时产生微弱电流，多路电流将沿着悬臂梁集中汇入支持梁，最终输出到外界系统。

【技术实现步骤摘要】
六维压电式能量收集器及其制作方法
本专利技术涉及一种微电子机械系统能量收集器及其制作方法，特别涉及一种六维压电式能量收集器及其制作方法，属于微电子机械系统的

技术介绍
振动普遍存在于自然界中，有自然产生的振动也有人为产生的振动，振动本身是带有能量的，可以将这部分能量收集、转换、储存起来，并为低功耗电子器件或者其他需要能量的设备提供电能，这样就能为低功耗设施长期提供电能而不需要任何外界供电。为了很好的实现上述目的，人们设计了悬臂梁结构并在悬臂梁上设置压电材料层，通过悬臂梁吸收振动能量并使悬臂梁发生形变带动压电材料产生形变进而产生电能，人们也开始以该方案为基础设计各类压电式振动能量收集器，不过几乎所有的结构都是为了提高一个方向的振动能量吸收效率而设计的，从单一的直角型压电悬臂梁振动能量采集器(中国专利公开号：CN105305879A)，到双稳态复合悬臂梁压电发电装置(中国专利公开号：CN102790549A)，均是为了提高单个方向的振动能量转换效率而做出不同的优化；而空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置(中国专利申请号：201710022632.1)虽然做到了多方向的振动能量收集，不过收集器结构过于复杂，不能在微电子芯片内的集成。同时，目前所有的基于悬臂梁的能量收集器只能收集振动能量，不能有效吸收旋转能量。因此设计一种基于MEMS技术的多向能量收集器是有很大的研究及应用价值。近年来，随着MEMS技术的飞速发展，对MEMS悬臂梁结构进行了深入的研究，使得采用MEMS技术的能量收集器成为可能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种六维压电式能量收集器及其制作方法，通过MEMS技术使能量收集器小型化、集成化，同时其特殊的结构能够吸收三个方向的振动能量以及三个平面的旋转能量。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种六维压电式能量收集器，该收集器以硅为衬底，在所述硅衬底上设置有支持梁；所述支持梁方向与Y轴平行，且其一端连接衬底，另一端垂直连接主悬臂梁；所述主悬臂梁方向与X轴平行且其平面法向方向为Y轴方向，所述主悬臂梁的表面设置有主压电片，所述主悬臂梁的两侧分别设置有一个主质量块，每个所述主质量块分别垂直连接一个第一副悬臂梁；每个所述第一副悬臂梁与Y轴平行且其平面法向方向为X轴方向，每个所述第一副悬臂梁的表面分别设置有一个第一副压电片，每个所述第一副悬臂梁的两侧分别设置有一个第一副质量块，每个所述第一副质量块分别垂直连接一个第二副悬臂梁，其中，对应同一个所述第一副悬臂梁的两个第二副悬臂梁分别为一个X向第二副悬臂梁和一个Y向第二副悬臂梁；每个所述X向第二副悬臂梁与X轴平行且其平面法向方向为Z轴方向，所述X向第二副悬臂梁的表面设置有第二副压电片，所述X向第二副悬臂梁的两侧分别设置有一个第二副质量块；每个所述Y向第二副悬臂梁与Y轴平行且其平面法向方向为Z轴方向，所述Y向第二副悬臂梁的表面设置有第二副压电片，所述Y向第二副悬臂梁的两侧分别设置有一个第二副质量块。作为本专利技术的进一步技术方案，所述主质量块与所述第一副悬臂梁的连接处位于所述第一副悬臂梁的中点。作为本专利技术的进一步技术方案，所述第一副质量块与所属第二副悬臂梁的连接处位于所述第二副悬臂梁的中点。另一方面，本专利技术还提供一种如上述任一所述的六维压电式能量收集器的制作方法，该制作方法包括以下步骤：1)准备硅衬底；2)采用光刻胶作为牺牲层材料涂覆在硅衬底上形成第一牺牲层，再通过淀积SiO2形成第二牺牲层，在第二牺牲层上再涂覆一层光刻胶；3)去除支持梁区域的最上层光刻胶；4)将支持梁部分的第一牺牲层和第二牺牲层全部刻蚀，刻蚀完毕后在支持梁区域内溅射锡青铜合金或者电镀金属铜，该工序结束后对表面进行平面化处理；5)去除主悬臂梁和第一副悬臂梁区域的光刻胶；6)将主悬臂梁和第一副悬臂梁区域的第二牺牲层全部刻蚀，刻蚀完毕后在主悬臂梁和第一副悬臂梁区域内溅射锡青铜合金或者电镀金属铜，形成主悬臂梁和第一副悬臂梁；7)去除主质量块以及第一副质量块区域的光刻胶；8)将主质量块以及第一副质量块区域的第二牺牲层全部刻蚀，刻蚀完毕后在主质量块以及第一副质量块区域内溅射金属镍，形成主质量块以及第一副质量块；9)在步骤8形成的器件表面涂上光刻胶；10)去除第二副悬臂梁区域的光刻胶；11)在第二副悬臂梁区域溅入锡青铜合金或者电镀金属铜，剥离光刻胶后形成第二副悬臂梁；12)在步骤11形成的器件表面淀积SiO2；13)去除第二副质量块区域的光刻胶；14)将第二副质量块区域的SiO2全部刻蚀，刻蚀完毕后在第二副质量块区域内溅射金属镍，形成第二副质量块；15)腐蚀第二牺牲层的SiO2，剥离第一牺牲层；16)在主悬臂梁、第一副悬臂梁和第二副悬臂梁的表面溅射压电材料，形成压电片。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤1中采用未掺杂的单晶硅作为衬底。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤2中第一牺牲层的厚度为1μm，第二牺牲层的厚度为4μm。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤4中还包括在溅射锡青铜合金或者电镀金属铜后对表面进行平面化处理。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤8中还包括在溅射金属镍后对表面进行平面化处理。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤9中的光刻胶厚度为0.5μm，步骤12中SiO2的厚度为3μm，步骤16中压电材料的厚度为300-500nm。作为本专利技术的进一步技术方案，步骤12中还包括在淀积完毕后对表面进行平面化处理。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术这种新型的基于MEMS技术的六维压电式能量收集器具有以下显著的有点：1、这种结构能够吸收3个坐标轴方向的能量，也就是说无论收集器的位置状态如何，在任意方向传来一个振动，都将在能量收集器结构定义三个坐标轴上分解为三个分量，所有的悬臂梁都将不同程度地发生形变，同时悬臂梁上的压电片也将产生电势差；2、这种结构能够收集三个坐标平面的旋转能量，也就是说无论收集器的未知状态如何，在任何一个平面旋转，都将在能量收集器结构定义三个坐标平面上分解为三个分量，所有的悬臂梁都将不同程度地发生形变，同时悬臂梁上的压电片也将产生电势差；3、每个悬臂梁的两端都可以产生形变同时产生电能，因此这里“T型悬臂梁”设计能获取的电能是同规格传统单边“L型悬臂梁”的两倍；4、通过改变悬臂梁两侧质量块的尺寸，质量，可以改变悬臂梁的谐振频率，从而为后续的定制设计带来了极大的便利；5、这种结构通过交叉排列可以组成叉指状列阵，提高了结构的集成度，能在相同的芯片面积内放置更多的六维压电式能量收集器；6、而且这种机构是基于MEMS技术的，具有MEMS的基本优点，比如体积小、重量轻、功耗低等；且与CMOS工艺完全兼容，便于集成，可以将该能量收集器集成如系统芯片中，提高了系统整体的集成度，因此它具有很好的研究和应用价值。附图说明图1是结构示意图；图2是单个悬臂梁示意图；图3是牺牲层示意图；图4是沿Z轴负方向传播的振动在支持梁处产生电压在一阶、二阶谐振点附近的频域变化曲线；图5是沿X轴正方向传播的振动在支持梁处产生电压在一阶、二阶谐振点附近的频域变化曲线；图中：1-支持梁，2-主悬臂梁，3-主压电片，4-主质量块，5-第一副悬臂梁，6-第一副压电片，7-本文档来自技高网...

【技术保护点】
六维压电式能量收集器，其特征在于，该收集器以硅为衬底，在所述硅衬底上设置有支持梁；所述支持梁方向与Y轴平行，且其一端连接衬底，另一端垂直连接主悬臂梁；所述主悬臂梁方向与X轴平行且其平面法向方向为Y轴方向，所述主悬臂梁的表面设置有主压电片，所述主悬臂梁的两侧分别设置有一个主质量块，每个所述主质量块分别垂直连接一个第一副悬臂梁；每个所述第一副悬臂梁与Y轴平行且其平面法向方向为X轴方向，每个所述第一副悬臂梁的表面分别设置有一个第一副压电片，每个所述第一副悬臂梁的两侧分别设置有一个第一副质量块，每个所述第一副质量块分别垂直连接一个第二副悬臂梁，其中，对应同一个所述第一副悬臂梁的两个第二副悬臂梁分别为一个X向第二副悬臂梁和一个Y向第二副悬臂梁；每个所述X向第二副悬臂梁与X轴平行且其平面法向方向为Z轴方向，所述X向第二副悬臂梁的表面设置有第二副压电片，所述X向第二副悬臂梁的两侧分别设置有一个第二副质量块；每个所述Y向第二副悬臂梁与Y轴平行且其平面法向方向为Z轴方向，所述Y向第二副悬臂梁的表面设置有第二副压电片，所述Y向第二副悬臂梁的两侧分别设置有一个第二副质量块。

【技术特征摘要】
1.六维压电式能量收集器，其特征在于，该收集器以硅为衬底，在所述硅衬底上设置有支持梁；所述支持梁方向与Y轴平行，且其一端连接衬底，另一端垂直连接主悬臂梁；所述主悬臂梁方向与X轴平行且其平面法向方向为Y轴方向，所述主悬臂梁的表面设置有主压电片，所述主悬臂梁的两侧分别设置有一个主质量块，每个所述主质量块分别垂直连接一个第一副悬臂梁；每个所述第一副悬臂梁与Y轴平行且其平面法向方向为X轴方向，每个所述第一副悬臂梁的表面分别设置有一个第一副压电片，每个所述第一副悬臂梁的两侧分别设置有一个第一副质量块，每个所述第一副质量块分别垂直连接一个第二副悬臂梁，其中，对应同一个所述第一副悬臂梁的两个第二副悬臂梁分别为一个X向第二副悬臂梁和一个Y向第二副悬臂梁；每个所述X向第二副悬臂梁与X轴平行且其平面法向方向为Z轴方向，所述X向第二副悬臂梁的表面设置有第二副压电片，所述X向第二副悬臂梁的两侧分别设置有一个第二副质量块；每个所述Y向第二副悬臂梁与Y轴平行且其平面法向方向为Z轴方向，所述Y向第二副悬臂梁的表面设置有第二副压电片，所述Y向第二副悬臂梁的两侧分别设置有一个第二副质量块。2.根据权利要求1所述的六维压电式能量收集器，其特征在于，所述主质量块与所述第一副悬臂梁的连接处位于所述第一副悬臂梁的中点。3.根据权利要求1所述的六维压电式能量收集器，其特征在于，所述第一副质量块与所属第二副悬臂梁的连接处位于所述第二副悬臂梁的中点。4.如权利要求1至3中任一所述的六维压电式能量收集器的制作方法，其特征在于，该制作方法包括以下步骤：1)准备硅衬底；2)采用光刻胶作为牺牲层材料涂覆在硅衬底上形成第一牺牲层，再通过淀积SiO2形成第二牺牲层，在第二牺牲层上再涂覆一层光刻胶；3)去除支持梁区域的最上层光刻胶；4)将支持梁部分的第一牺牲层和第二牺牲层全部刻蚀，刻蚀完毕后在支持梁区域内溅射锡青铜合金或者电镀金属铜，该工序结束后对表面进行平面化处理；...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆颢瓒，李江南，王德波，
申请(专利权)人：南京邮电大学，南京邮电大学南通研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32