微型压电振动能量收集器及其制造方法技术

本发明专利技术设计一种新型MEMS压电振动能量收集器的结构及其制备方法，其包括双抛衬底；双面衬底保护层；正面金属导电层(底)作为输出底电极；金属上层制备图形化后的导电胶；PZT压电片通过导电胶键合在硅片底电极；整片覆盖顶电极金属导电层(顶)；KOH通过背面衬底保护层窗口腐蚀，释放出不含Si以环氧树脂为主的悬臂梁结构；划片释放出悬臂梁‑质量块结构。本发明专利技术结构简单易于实现，便于批量生产，敏感度，输出电平、功率高，适用范围广，安全可靠。

【技术实现步骤摘要】
微型压电振动能量收集器及其制造方法
本专利技术涉及一种微型压电振动能量收集器及其制造方法，特别是涉及一种基于环氧树脂悬臂梁的微型压电式振动能量收集器及其制造方法。
技术介绍
微电源通常是无源无线传感器网或者是微执行器的一部分，此类微传感器微执行器使用范围广、需求量大，要求在保证性能的情况下体积小，稳定性强，经常需要工作在极端、恶劣环境或者无法随意更换电池的环境，所以微传感器微执行器搭载微电源模块变得相当必要。微电源模块，即能量收集器分为压电型、电磁型、可变电容式以及复合型。压电型以其结构简单，性能出众，工作稳定以及近几年来业界对压电材料的广泛深入研究而收到人们的格外关注，在目前的能量收集器件中也占据主导地位。在压电振动能量收集器结构中，电极-压电材料-电极结构下释放出悬臂梁结构，悬臂梁一端附质量块的结构占据主导地位，此种结构简单易行，但是目前的压电振动能量收集器普遍存在两个显著的问题：1.悬臂梁的释放。悬臂梁的释放通常使用<110>或者<100>硅片的背面KOH腐蚀。如果选用SOI硅片，预埋的SiO2作为KOH背硅腐蚀的自停止层，可以较好的控制悬臂梁的厚度，但这样造价会被提高很多；如果选用普通硅片，造价会相应降低，但是悬臂梁的厚度变得极难控制。2.压电敏感层的选择。目前作为振动能量收集装置的压电材料主要有AlN和PZT(锆钛酸铅)两种。AlN材料在研究初期被广泛使用在能量收集器上的原因，便是其易于制备，与CMOS工艺兼容性较好。但是AlN材料存在很致命的缺陷：1)薄膜生长必须具有晶体择优取向才可以具有压电效应，这种择优取向可以通过生长压力、N2和Ar比例、基片与靶材之间距离、生长温度、溅射功率等条件来调节，同时对生长AlN的衬底也有较高的要求，条件稍微偏差一些，AlN的压电性能就会急剧衰减。2)AlN压电系数和介电常数过小，在整个压电材料库中也属于比较低的水平。近年来PZT的研究使PZT的制备以及薄膜性能产生了质的飞跃，科研人员已经开发出了多种不同制备体硅PZT膜的方法，比如溶胶-凝胶、水热溶胶-凝胶、Mocvd法、溅射法、脉冲激光法等。这些方法均可以获得性能尚佳的PZT薄膜，但却有一个共同的缺陷，就是无法将厚度做大。在对PZT材料研究的几年内，即使使用多次成膜技术，厚度最高也只有几个微米，若再高将影响材料性能。在这种情况的制约下，对PZT材料性能进行改进所取得的进展远远不能突破PZT薄膜厚度带来的瓶颈。对于问题1，由于目前微机电系统(MEMS)加工技术是建立在硅加工技术之上，想要放弃硅的优良性能衬底绝非易事。对于问题2，近年来提出了一种新的思路：宏观尺度的PZT压电陶瓷片的制作技术已经相对成熟，但是厚度最低也有几百微米无法直接应用于微加工技术。于是，使用将大尺寸PZT压电陶瓷片键合到硅衬底然后减薄的技术便应运而生。这种大尺寸PZT压电陶瓷片通过先键合再减薄的工艺流程解决了PZT无法做厚的问题，同时也带来了新的问题：键合材料选择。主流选择有两种：1.以Au为主的金属键合，此种键合因其互融点低，对其余工艺影响较少而被采用，但是互融之后应力变大。之后有人提出使用提升Au使其同时兼备键合层和弹性层，但是由于其互融之后的极大应力，释放之后的悬臂梁形成了自动弯曲的形状，极大地影响了器件的性能。2.导电胶键合，导电胶粘度较大，通常使用点胶机或者是印刷版配合使用，很难在硅片上制作成膜，而其后续相关未加工步骤也相对不成熟。导电胶是一种常温下呈流体至浓胶状，干燥或固化后具有一定导电性的胶黏剂。现有导电胶一般以环氧树脂为主，掺有Ag等金属颗粒，通过金属颗粒直接接触或者是隧穿效应实现导电。由于导电胶工艺简单，易于操作，可以提高生产效率，目前广泛用于为电子封装、印刷电路板、导电线路粘接等各种电子领域中。导电胶也可用于硅片与陶瓷材料之间的键合。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是改进现有技术中存在的不足，提出了一种新型MEMS压电式振动能量收集器的结构及制备方法，其结构简单易于实现，成本低，适用范围广，安全可靠，便于批量生产。为此，本专利技术提供了一种微型压电振动能量收集器，包括：衬底，衬底背面具有开口，剩余的衬底部分作为质量块；第一保护层，位于衬底正面上，开口暴露第一保护层；第一金属层，位于第一保护层上；导电胶层，位于第一金属层上，位置与开口相对应；压电陶瓷片，位于导电胶层上；第二金属层，位于压电陶瓷片上、以及位于未被导电胶层覆盖第一金属层上；其中，第二金属层、压电陶瓷片、导电胶层、第一金属层以及第一保护层构成悬梁臂，跨越开口两侧的质量块。其中，衬底包括硅，第一保护层包括氧化硅、氮化硅及其组合。其中，第一金属层和/或第二金属层包括粘附层以及导电层。其中，导电胶层为掺杂了金属的环氧树脂，压电陶瓷片包括PZT薄膜。本专利技术还提供了一种微型压电振动能量收集器的制造方法，包括：在衬底正面上形成第一保护层以及第一金属层；在第一金属层上形成具有窗口的光刻胶层；在第一金属层以及光刻胶层上形成导电胶层；在与窗口对应的位置处的导电胶层上粘贴压电陶瓷片；去除光刻胶层以及未被压电陶瓷片覆盖的导电胶层；在压电陶瓷片以及第一金属层上形成第二金属层；在衬底背面形成与窗口位置对应的开口，直至暴露第一保护层，使得第二金属层、压电陶瓷片、导电胶层、第一金属层以及第一保护层构成悬梁臂，跨越开口两侧的衬底构成的质量块。其中，粘贴压电陶瓷片之后进一步包括加热固化导电胶层以完成键合。其中，形成第一保护层的同时也在衬底背面形成第二保护层，图案化第二保护层形成暴露衬底的背面窗口，用于在衬底背面形成直至暴露第一保护层的开口。其中，粘贴压电陶瓷片之后进一步包括通过CMP以及湿法腐蚀，将压电陶瓷片减薄至需要厚度。其中，形成开口之后进一步包括：划片以释放质量块；在第二金属层上形成接触焊垫。其中，导电胶层为掺杂了金属的环氧树脂，压电陶瓷片包括PZT薄膜。本专利技术具有如下优点：1.悬臂梁使用环氧树脂作为主要材料，悬臂梁从下至上为金属层/环氧树脂胶层/压电材料层/金属层，将键合层作为弹性层，节省了工艺步骤，这样避免了普通硅片厚度不好掌握的问题，也避免了SOI硅片造价过高的问题。2.使用环氧树脂作为悬臂梁，由于环氧树脂膜具有低杨氏模量的特性，使器件敏感度增加，在低振动情况下也可以保证输出电平。3.使用大尺寸PZT薄片作为压电执行层，极大地提高了器件性能，解决了目前体硅工艺制备PZT薄膜无法获得较厚PZT薄膜的问题。4.顶电极使用PZT厚台阶自动分离顶/底电极，缩短了工艺步骤。5.由本专利技术提供的新型MEMS压电振动能量收集器具有工艺步骤短，器件结构易于实现，便于批量生产，输出开环电压高，敏感度高，可在各类无源无线传感器中应用。附图说明以下参照附图1-11来详细说明本专利技术的技术方案，其中：图1为本专利技术在衬底上形成双面衬底保护层后的剖视图；图2为本专利技术在衬底背面形成背硅KOH腐蚀窗口后的剖视图；图3为本专利技术在正面制备金属导电层(底)之后的剖视图；图4为本专利技术在正面制备剥离用光刻胶之后的剖视图；图5为本专利技术在正面制备导电胶层之后的剖视图；图6为本专利技术在正面键合压电陶瓷片之后的剖视图；图7为本专利技术将压电陶瓷片减薄之后的剖视图；图8为本专利技术将导电胶剥离之后的剖视图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型压电振动能量收集器的制造方法，包括：在衬底正面上形成第一保护层以及第一金属层；在第一金属层上形成具有窗口的光刻胶层；在第一金属层以及光刻胶层上形成导电胶层；在与窗口对应的位置处的导电胶层上粘贴压电陶瓷片；去除光刻胶层以及未被压电陶瓷片覆盖的导电胶层；在压电陶瓷片以及第一金属层上形成第二金属层；在衬底背面形成与窗口位置对应的开口，直至暴露第一保护层，使得第二金属层、压电陶瓷片、导电胶层、第一金属层以及第一保护层构成悬梁臂，跨越开口两侧的衬底构成的质量块。

【技术特征摘要】
1.一种微型压电振动能量收集器的制造方法，包括：在衬底正面上形成第一保护层以及第一金属层；在第一金属层上形成具有窗口的光刻胶层；在第一金属层以及光刻胶层上形成导电胶层；在与窗口对应的位置处的导电胶层上粘贴压电陶瓷片；去除光刻胶层以及未被压电陶瓷片覆盖的导电胶层；在压电陶瓷片以及第一金属层上形成第二金属层；在衬底背面形成与窗口位置对应的开口，直至暴露第一保护层，使得第二金属层、压电陶瓷片、导电胶层、第一金属层以及第一保护层构成悬梁臂，跨越开口两侧的衬底构成的质量块。2.如权利要求1所述的微型压电振动能量收集器的制造方法，其中，粘贴压电陶瓷片之后进一步包括加热固化导电胶层以完成键合。...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴航，欧毅，郑陶雷，欧文，刘宇，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11