一种MEMS振动能量收集与存储的单片集成装置及其制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种MEMS振动能量收集与存储的单片集成装置及其制备方法。本发明专利技术采用堆叠的方式实现能量收集器件与锂离子电池的单片集成，结构简单紧凑，利于实现传感器节点的微型化、集成化并提高能源利用效率。此外，本发明专利技术中基于MEMS悬臂梁结构的堆叠方式，既实现了能量收集器件对振动能量的有效收集，还有助于释放和减小锂离子电池充放电时产生的应力，不但提高了器件的集成度还增强了器件可靠性。

Monolithic integrated device for collecting and storing MEMS vibration energy and preparation method thereof

The invention discloses a monolithic integrated device for MEMS vibration energy collection and storage and a preparation method thereof. The invention adopts the stacking mode to realize the monolithic integration of the energy collection device and the lithium ion battery, the structure is simple and compact, and the utility model is favorable for realizing the miniaturization, integration and the energy utilization efficiency of the sensor nodes. In addition, stacked MEMS cantilever beam based on the structure of the invention, not only realizes the effective collection of energy collection devices on vibration energy, but also help reduce the stress produced in the release and the lithium ion battery charge and discharge, not only improve the integration degree of the device also enhances the reliability of the device is.

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS振动能量收集与存储的单片集成装置及其制备方法
本专利技术涉及一种收集环境中振动能量的能量收集与存储的装置及其制备方法，尤其涉及一种基于MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)技术的收集环境中振动能量的能量收集与存储的单片集成装置及其制备方法。
技术介绍
物联网被认为是继计算机、互联网之后信息产业的第三次浪潮，正对人们的生产和生活方式产生深刻影响。微能源技术负责为物联网的传感器节点提供电源，是物联网发展的关键技术之一。目前普遍采用电化学电池为节点供电，在各类型电化学电池中，固态锂离子电池具有工作电压高、比容量大、循环寿命长、无记忆效应、环境污染小及安全性能高等优点，因而得到人们的青睐。为了进一步提高锂离子电池的容量以延长电池寿命以及缩小电池尺寸，科研人员开展了大量研究。对于锂离子电池，负极材料是决定电池容量的关键因素之一，为了提高电池的存储容量，研究人员对负极材料进行深入探索。在已知的负极材料中，硅(Si)的理论容量可达4200mAh/g(作为比较，目前锂离子电池采用石墨作负极，其理论容量约为372mAh/g)，而且Si在自然界中含量丰富，因此引起了人们的极大兴趣。但是，Si作为电池负极在充放电的过程中体积会发生巨大变化(高达400％)，如此大的体积变化会导致固定于电池基底上的Si膜内产生极大的应力，进而导致Si膜的破裂或粉末化，造成电池失效。为了解决Si膜由于体积变化而引起电池失效问题，目前普遍采用分立的Si纳米结构(如纳米管、纳米棒、纳米线)代替Si膜作为电池负极。上述Si纳米结构可通过形变释放和减小体积变化所产生的应力，因此极大提高了电池的可靠性和寿命。但是，这些分立的Si纳米结构之间必须保持足够空间以容纳形变，因此与使用Si膜作为电池负极相比，Si纳米结构作为电池负极的振实密度较低，能够用于存储能量的活性物质含量较少，相应的电池能量密度低。另外，Si纳米结构作为电池负极还存在着制作工艺复杂的缺点，导致电池的制作成本较高、不同批次电池性能重复性差的缺点。Si纳米结构还存在机械性能较差(如易坍塌)等问题。因此为了实现将Si应用于锂离子电池以提高电池容量及缩小电池尺寸，由Si体积变化所引起电池失效问题尚待解决。为了降低对传感器节点中的电池进行维护和更换所造成的成本并实现对传感器节点长期、稳定供电，发展出了能量收集技术。该技术可实现将环境能量(如光、电磁波、振动等)转化为电能供给传感器节点使用。振动是一种在环境中普遍存在且分布广泛的能量源，因此振动能量收集技术具有广阔的发展和应用前景。作为振动能量收集技术的典型代表，压电式振动能量收集器具有尺寸小、结构简单、易加工、能量密度高的优点，因此引起人们广泛关注。通过压电式振动能量收集器(能量收集器件)将环境中振动能量转化为电能，并通过充电电路对固态锂离子电池(能量存储器件)进行充电以实现将收集的能量进行存储，储存在锂离子电池中的电能通过电源管理电路对传感器节点进行供电。上述方案可有效地降低对传感器节点中的电池进行维护和更换的成本并实现对传感器节点长期、稳定供电。从尺寸上讲，能量收集器件与锂离子电池往往是构成传感器节点的主要部分。实现能量收集器件和锂离子电池的有效集成，既可降低能源传输造成的损耗又可减小传感器节点的尺寸，因此是实现传感器节点微型化、集成化及提高能源利用效率的关键。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种MEMS振动能量收集与存储的单片集成装置及其制备方法，实现能量收集器件和锂离子电池的有效集成。
技术实现思路
：一种MEMS振动能量收集与存储的单片集成装置，包括基底，所述基底为L型悬臂梁结构，分为横向自由面和纵向支撑部；在所述基底上从下向上依次设置下绝缘层、正极集流体层、正极层、固态电解质层、硅负极层、负极集流体层、上绝缘层、下压电电极层、压电层、上压电电极层；其中，所述硅负极层正对基底的横向自由面设置，所述硅负极层为厚度100-3000nm的硅；其中，所述正极集流体层、正极层、固态电解质层、硅负极层、负极集流体层构成固态锂离子电池，所述下压电电极层、压电层、上压电电极层构成压电式振动能量收集器，所述固态锂离子电池通过充电电路连接压电式振动能量收集器。一种MEMS振动能量收集与存储的单片集成装置的制备方法，包括如下步骤：(1)，选用N型(100)Si作为基底材料，通过热氧化在基地材料的上表面和下表面形成SiO2，位于基底材料上表面的SiO2形成下绝缘层；(2)，通过溅射在下绝缘层上表面形成TiN及Pt并光刻，形成正极集流体层；(3)，通过化学气相沉积在正极集流体层上形成2000nm厚度的LiCoO2并光刻，并进行退火使LiCoO2结晶化，形成正极层；(4)，通过化学气相沉积在正极层上形成200nm厚度的LiPON并光刻，形成固态电解质层；(5)，通过化学气相沉积在固态电解质层上形成200nm厚度的Si并光刻，形成硅负极层；(6)，通过热蒸发在硅负极层上形成Cu并光刻，形成负极集流体层；(7)，通过化学气相沉积在负极集流体层上形成SiO2并光刻，形成上绝缘层；(8)，通过溅射在上绝缘层上形成TiN并光刻，形成下压电电极层；(9)，通过溅射在下压电电极层上形成一层200nm厚度的PZT并光刻；(10)，通过溅射在PZT上形成TiN并光刻，形成上压电电极层；(11)，对步骤制备的PZT进行极化使其具备压电特性，形成压电层；(12)，通过双面对准对位于基底材料的下表面的SiO2进行光刻、开窗，以基底下表面的SiO2作掩膜并使用四甲基氢氧化铵试剂对基底进行选择性各向异性湿法刻蚀，形成空腔；(13)，对基底材料的上表面进行选择性各向异性干法刻蚀，释放MEMS悬臂梁结构，最终形成MEMS振动能量收集与存储的单片集成装置。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术采用堆叠的方式实现能量收集器件与锂离子电池的单片集成，结构简单紧凑，利于实现传感器节点的微型化、集成化并提高能源利用效率。此外，本专利技术中基于MEMS悬臂梁结构的堆叠方式，既实现了能量收集器件对振动能量的有效收集，还有助于释放和减小锂离子电池充放电时产生的应力，不但提高了器件的集成度还增强了器件可靠性。2、与现有技术中采用固定在基底上的Si膜作为负极的电池相比，本专利技术中的电池基于MEMS悬臂梁结构，硅负极层34实质为一层Si膜，该Si膜作为电池负极在电池充放电时的体积变化引起MEMS悬臂梁结构发生弯曲变形，有效释放和减小了由于Si体积变化在Si膜内所引起的应力，降低了应力对Si膜的损伤和破坏，因此本专利技术中的电池具有可靠性高和寿命长的优点；与采用分立的Si纳米结构作为负极的电池相比，本专利技术的电池采用连续的Si膜作为电池负极，具有振实密度高、电池能量密度高的优点。此外，本专利技术中的基底的绝大部分被空，有效降低了器件的总体质量，进一步提高了电池的能量密度，相同电池容量的条件下，电池质量越轻，能量密度越高；基底被掏空还抑制了电池中的正极集流体层与基底之间形成大的寄生电容，有效降低了基底及基底上其他器件与电池之间的窜扰。附图说明图1为本专利技术的剖面结构示意图；图2基地的局部结构示意图；图中有：基底1、下绝缘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS振动能量收集与存储的单片集成装置，其特征在于：包括基底(1)，所述基底(1)为L型悬臂梁结构，分为横向自由面和纵向支撑部；在所述基底(1)上从下向上依次设置下绝缘层(2)、正极集流体层(31)、正极层(32)、固态电解质层(33)、硅负极层(34)、负极集流体层(35)、上绝缘层(4)、下压电电极层(51)、压电层(52)、上压电电极层(53)；其中，所述硅负极层(34)正对基底(1)的横向自由面设置，所述硅负极层(34)为厚度100‑3000nm的硅；其中，所述正极集流体层(31)、正极层(32)、固态电解质层(33)、硅负极层(34)、负极集流体层(35)构成固态锂离子电池，所述下压电电极层(51)、压电层(52)、上压电电极层(53)构成压电式振动能量收集器，所述固态锂离子电池通过充电电路连接压电式振动能量收集器。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS振动能量收集与存储的单片集成装置，其特征在于：包括基底(1)，所述基底(1)为L型悬臂梁结构，分为横向自由面和纵向支撑部；在所述基底(1)上从下向上依次设置下绝缘层(2)、正极集流体层(31)、正极层(32)、固态电解质层(33)、硅负极层(34)、负极集流体层(35)、上绝缘层(4)、下压电电极层(51)、压电层(52)、上压电电极层(53)；其中，所述硅负极层(34)正对基底(1)的横向自由面设置，所述硅负极层(34)为厚度100-3000nm的硅；其中，所述正极集流体层(31)、正极层(32)、固态电解质层(33)、硅负极层(34)、负极集流体层(35)构成固态锂离子电池，所述下压电电极层(51)、压电层(52)、上压电电极层(53)构成压电式振动能量收集器，所述固态锂离子电池通过充电电路连接压电式振动能量收集器。2.如权利要求1所述的MEMS振动能量收集与存储的单片集成装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)，选用N型(100)Si作为基底材料，通过热氧化在基底材料的上表面和下表面形成SiO2，位于基底材料上表面的SiO2形成下绝缘层(2)；(2)，通过溅射在下绝缘层(2)上表面形成TiN及Pt并光刻，形成正极集流体层(31)；(3)，通过化学气相沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓东，甘兴锋，黄见秋，黄庆安，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32