MEMS压电器件、能量采集系统以及便携式或移动型电子装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及MEMS压电器件、能量采集系统以及便携式或移动型电子装置。一种MEMS压电器件具有：半导体材料的单片式本体，其具有第一主表面和第二主表面，这两个表面平行于由第一水平轴和第二水平轴形成的水平面并且沿着竖直轴相对；布置在单片式本体内的壳腔体；在单片式本体的第一主表面处悬置在壳腔体上方的膜；布置在膜的第一表面上方的压电材料层；布置成与压电材料层接触的电极装置；以及耦合至膜的沿着竖直轴与第一表面相对的第二表面以响应于环境机械振动引起第二表面形变的检测质量。检测质量通过布置在中心位置中并且沿着竖直轴的方向在膜与检测质量之间的连接元件耦合至膜。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及MEMS(微机电系统)压电器件。
技术介绍
以下讨论将特别参考MEMS压电器件作为用于能量采集(或能量拾取)应用的能量微型发电机的用途。如所已知的，用于从机械或环境能量源采集能量的系统唤起对各种
的相当程度的兴趣，例如在便携式或移动电子装置领域。通常，能量采集系统被设计成采集和存储由机械源或环境源生成的能量并且将其传递给电类型的通用负载，该负载可以被供电或者在电池的情况下被再充电。这样的系统比如可以使得能够提供没有电池的便携式电子装置或者使得能够在相当的程度上增加这样的便携式电子装置的电池的寿命。特别地，已经提出的能量采集解决方案设想使用能够将与机械振动相关联的能量(源自于器件在其中操作的环境或者源自于器件与其接触的本体)转换成电能的MEMS压电器件。MEMS压电器件的最简单的解决方案设想使用悬臂结构，其在自由端处承载惯性质量或者“检测质量”；适当的压电材料、诸如例如PZT(锆钛酸铅)被放置在悬臂梁上。在以上解决方案中，机械振动引起检测质量的移动和动能的生成，动能被转换成悬臂梁和相关联的压电材料的机械形变形式的弹性势能。特别地，悬臂梁的所得到的振荡引起压电材料的拉伸和压缩效应以及可以在被布置成与压电材料接触的电极处检测到所产生的电荷的生成。换言之，存储在悬臂梁中的弹性势能的一部分被转换成电能。悬臂结构通常被设计为具有高的质量因子Q，就此而言，以上解决方案具有与非常窄的操作频带有关的重要缺点。因此，与机械结构的自然谐振频率的甚至非常小的偏差就引起可以被采集的能量的快速衰减。然而，环境中的机械振动通常具有宽的频谱，其具有非可控的值。因此，先前描述的解决方案通常在能量采集方面不能够提供充足的效率。为了克服以上缺陷，提出了一种另外的解决方案，其设想使用所谓的“两端固支”(doublyclamped)结构，其被配置成在对应压电元件上生成主要是拉伸类型的应力。这些器件示出由高频区域中的线性弯曲主导并且具有低的振荡幅度的行为以及由低频区域中的明显非线性伸展主导并且具有高的振荡幅度的行为。如图1a中示意性地图示的，这一解决方案设想使用一对薄的悬臂元件1a、1b，即一个悬臂元件沿着竖直轴z具有远小于沿着第一水平轴x的对应主延伸(或长度)的厚度t。悬臂元件1a、1b在第一端处被约束到固定结构2，并且在第二端处被约束到检测质量4，检测质量4直接耦合至悬臂元件1a、1b并且关于上述悬臂元件1a、1b在中心布置。特别地，图1a中的D1和D2表示沿着第一水平轴x的检测质量4的主延伸和结构的总延伸(由悬臂元件1a、1b的长度和检测质量4的长度之和给出)。如图1b中所图示的，由于机械振动而产生的沿着检测质量4的竖直轴z的位移δ在悬臂元件1a、1b二者上引起张应力形变。特别地，检测质量4布置在中心这一事实防止了检测质量4的侧向移动或旋转并且使得能够将自然振荡频率减小到几百赫兹的值，其实际上对应于环境机械振动的频谱的典型值。以下文档中描述使用先前讨论的两端固支解决方案的MEMS压电器件、特别是能量采集发电机的示例：HajatiArman,Sang-GookKim,“Ultra-wideBandwidthPiezoelectricEnergyHarvesting”AppliedPhysicsLetters99.8(2011):083105,2011AmericanInstituteofPhysics。简言之，并且如图2a中所图示的，以上文档中描述并且用10表示的MEMS压电器件的微机械结构包括半导体材料、特别是硅的支承本体11，支承本体11中设置有腔体12。膜13布置在腔体12上方并且在中心承载内部检测质量14，内部检测质量14直接耦合至膜13。内部检测质量14在膜13中定义在上述检测质量14侧向的第一悬臂元件15a和第二悬臂元件15b，其上放置有与电极17接触的适当的压电材料元件16，例如PZT。在制造过程期间，导致腔体12的形成的蚀刻还定义内部检测质量14的几何结构和悬臂元件15a、15b的尺寸，该几何结构和尺寸因此由上述内部检测质量14的大小直接确定。特别地，再次，D1和D2在图2a中分别表示内部检测质量14的延伸以及悬臂元件15a、15b和上述内部检测质量14的整个主延伸。微机械结构10还包括例如使用键合技术耦合到膜13上的外部检测质量18，外部检测质量18具有基本上对应于上述尺寸D2的延伸。在操作期间，如果存在环境振动，则悬臂元件15a、15b由于内部和外部检测质量14、18的联合位移而经历形变，从而在电极17处生成对应的电信号。如图2b中所图示的(其中出于简化的原因，没有图示外部检测质量18)，可以从上述支承本体11开始有利地获取先前描述的类型的多个微机械结构10，以便增加生成电能的效率。然而，本申请人已经认识到，先前描述的解决方案也受到某些重要限制的影响。特别地，电气性能取决于所得到的检测质量的几何形状。然而，不能够将内部检测质量14的尺寸增加为超过某个门限，在这种情况下，悬臂元件15a、15b的尺寸(以及对应的压电材料元件16的尺寸)被过分地减小；通常，在微机械结构10中，尺寸D1最多可以等于尺寸D2的三分之一。因此，需要引入外部检测质量18以增加从所检测的机械振动开始生成能量的性能。然而，这一外部检测质量18的耦合使制造过程变得复杂(实际上需要半导体材料的两个不同晶片之间的耦合，所谓的“晶片到晶片键合”)并且在上述晶片的切割时产生不可忽略的缺陷。另外，基于压电材料的拉伸形变模式，压电结构的几何形状在这种情况下是固定的，具有两端固支类型，从而限制在设计微机械结构的特性时的可能性。
技术实现思路
本技术的目的是至少部分克服影响已知类型的MEMS压电器件的问题，并且特别地提供一种用于环境能量的采集的更高效的解决方案。根据本技术的第一方面，提供了一种MEMS压电器件，包括：半导体材料的单片式本体，具有第一主表面和第二主表面，第一主表面和第二主表面平行于由第一水平轴和第二水平轴形成的水平面并且沿着竖直轴彼此相对；壳腔体，布置在单片式本体内；膜，在单片式本体的第一主表面处悬置在壳腔体上方；压电材料层，布置在膜的第一表面上方；电极装置，布置成与压电材料层接触；以及检测质量，耦合至膜的沿着竖直轴与第一表面相对的第二表面并且被设计成响应于机械振动引起第二表面的形变，检测质量通过连接元件耦合至膜，连接元件布置在中心位置中并且在竖直轴的方向上在膜与检测质量之间。在一些实施例中，壳腔体布置在检测质量的面对膜的第一表面与膜的第二表面之间，并且在平行于水平面的方向上在侧向上环绕连接元件。在一些实施例中，连接元件具有柱状构造并且布置在膜的几何中心。在一些实施例中，膜具有沿着第一水平轴的延伸，检测质量具有比膜的延伸短的沿着第一水平轴的相应延伸，并且连接元件具有比检测质量的相应延伸短的沿着第一水平轴的相应延伸。在一些实施例中，MEMS压电器件还包括与壳腔体流体连通的释放开口，释放开口在膜侧向布置并且在第一主表面处将膜与单片式本体分离。在一些实施例中，释放开口被设计成定义膜到单片式本体的约束类型。在一些实施例中，约束类型是双约束，并且释放开口包括第一开口部分和第二开口部分，第一开口部分和第二开口部分在沿着第二水平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS压电器件，包括：半导体材料的单片式本体，具有第一主表面和第二主表面，所述第一主表面和所述第二主表面平行于由第一水平轴和第二水平轴形成的水平面并且沿着竖直轴彼此相对；壳腔体，布置在所述单片式本体内；膜，在所述单片式本体的所述第一主表面处悬置在所述壳腔体上方；压电材料层，布置在所述膜的第一表面上方；电极装置，布置成与所述压电材料层接触；以及检测质量，耦合至所述膜的沿着所述竖直轴与所述第一表面相对的第二表面并且被设计成响应于机械振动引起所述第二表面的形变，其特征在于，所述检测质量通过连接元件耦合至所述膜，所述连接元件布置在中心位置中并且在所述竖直轴的方向上在所述膜与所述检测质量之间。

【技术特征摘要】
2015.12.24 IT 1020150000877101.一种MEMS压电器件，包括：半导体材料的单片式本体，具有第一主表面和第二主表面，所述第一主表面和所述第二主表面平行于由第一水平轴和第二水平轴形成的水平面并且沿着竖直轴彼此相对；壳腔体，布置在所述单片式本体内；膜，在所述单片式本体的所述第一主表面处悬置在所述壳腔体上方；压电材料层，布置在所述膜的第一表面上方；电极装置，布置成与所述压电材料层接触；以及检测质量，耦合至所述膜的沿着所述竖直轴与所述第一表面相对的第二表面并且被设计成响应于机械振动引起所述第二表面的形变，其特征在于，所述检测质量通过连接元件耦合至所述膜，所述连接元件布置在中心位置中并且在所述竖直轴的方向上在所述膜与所述检测质量之间。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述壳腔体布置在所述检测质量的面对所述膜的第一表面与所述膜的所述第二表面之间，并且在平行于所述水平面的方向上在侧向上环绕所述连接元件。3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述连接元件具有柱状构造并且布置在所述膜的几何中心。4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述膜具有沿着所述第一水平轴的延伸，所述检测质量具有比所述膜的所述延伸短的沿着所述第一水平轴的相应延伸，并且所述连接元件具有比所述检测质量的所述相应延伸短的沿...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·F·贝维拉克夸，F·F·维拉，R·斯卡尔达菲利，V·卡萨塞利，A·迪马特奥，D·法拉里，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：意大利;IT