一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置及制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置及制备方法，它包括：振动能量转换器、硅质量块、平板电容上电极支撑、基座；硅质量块和平板电容上电极支撑设在振动能量转换器上；振动能量转换器包括：SOI基板、硅梁、梳齿电容弹簧、梳齿支撑杆、叉指电容器；基座通过SOI基板通过背向刻蚀所形成；SOI基板中设有器件层；硅梁设在器件层内；叉指电容器和梳齿电容弹簧分别对称设在梳齿支撑杆两侧；本技术方案在通过非线性和多模态机制的结合能够拓宽能量采集器的频域；模态峰值之间能够获得较小非共振区域，能使能量采集频域最大化；并形成自供电能量、灵敏度高的采集器。灵敏度高的采集器。

【技术实现步骤摘要】
一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置及制备方法


[0001]本专利技术属于MEMS静电能量采集
，具体涉及一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置及制备方法。

技术介绍

[0002]随着物联网和无线传感网络技术的发展，能够实现自供电的传感器成为研究者们关注的热点问题；相比于传统化学电池的难以更换和维护，从环境中获取能量为低功率传感器持续供电是更加环保与方便的方法。
[0003]我们生活的环境中有各种各样的能源，振动能源以其在环境中广泛分布的特点受到人们的关注；环境中的振动能量大都具有随机、低频且宽频的特点；现有振动能量采集可以分为线性和非线性的方法；其中，梁阵列、多质量和特殊弹簧耦合等结构利用多模态机制与线性梁相结合的方法，相比于纯线性结构能够大幅拓宽工作频域而一度成为研究的热点；然而，这种方法仅能够在一些特定的共振频域内有较大输出，且共振频率之间相距较远，导致工作频带依然很窄；将多模态机制与非线性方法相结合则能够很好的解决上述问题。
[0004]现有能够实现多模态与非线性相结合的结构大多采用磁耦合和碰撞结构；这两种结构都本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其特征在于，它包括：振动能量转换器（1）、硅质量块（2）、平板电容上电极支撑（3）、基座（4）；所述的硅质量块（2）和平板电容上电极支撑（3）设在振动能量转换器（1）上；所述的振动能量转换器（1）包括：SOI基板（11）、硅梁（12）、梳齿电容弹簧（13）、梳齿支撑杆（14）、叉指电容器（15）；所述的基座（4）通过SOI基板（11）通过背向刻蚀所形成；SOI基板（11）中设有器件层（5）；硅梁（12）设在器件层（5）内；叉指电容器（15）和梳齿电容弹簧（13）分别对称设在梳齿支撑杆（14）两侧。2.根据权利要求1所述的一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其特征在于：所述的硅梁（12）两侧对称设有SU
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8梁，SU
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8梁分为：左SU
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8梁（1211）、右SU
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8梁（1212）；左SU
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8梁（1211）和右SU
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8梁（1212）上设计有质量块支撑平台（114）以及溅射了平板电容下电极（122）、感测正电极（124）和感测负电极（125）。3.根据权利要求2所述的一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其特征在于：所述的叉指电容器（15）包括：梳齿电容定梳齿（151）、梳齿电容动梳齿（152）；梳齿电容设有梳齿电容正电极（161）、梳齿电容负电极（162）；梳齿支撑杆（14）设在硅梁（12）一端；梳齿电容动梳齿（152）和梳齿电容弹簧（13）对称设在梳齿支撑杆（14）两侧；梳齿电容设有梳齿电容正电极（161）、梳齿电容负电极（162）；硅梁（12）另一端设有梳齿电容正电极（161）；梳齿电容定梳齿（151）与梳齿电容负电极（162）连接。4.根据权利要求2所述的一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其特征在于：所述的平板电容上电极支撑（3）包括：支撑板（36）、平板电容上电极（32）、驻极体（33）；驻极体（33）为被极化的聚丙烯驻极体；驻极体（33）设在平板电容上电极（32）。5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其特征在于：所述的振动能量转换器，制备方法包括如下步骤：（1）SOI基板（11）中分为器件层（5）、二氧化硅层（7）与衬底层（6），清洗基板去除表面杂质备用；（2）步骤（1）所述基板的器件层（5）上面旋涂1 μm厚的光刻胶（8），光刻曝光，并显影出掩模版第一图形层（A1）；（3）在光刻胶（8）掩蔽下利用干法刻蚀技术刻蚀器件层（5），形成步骤（2）所述的掩模版第一图形层（A1），掩模版第一图形层（A1）中分别形成硅梁（12），梳齿电容弹簧（13），梳齿支撑杆（14），梳齿电容动梳齿（152），梳齿电容定梳齿（151）；（4）对上述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶（8）；（5）在步骤（3）所述图案上旋涂SU
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8负光刻胶，厚度为7 μm，并进行光刻曝光，在第二图形层（A2）分别显影出：SU
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8隔离层111、左SU
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8梁（1211）、右SU
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8梁（1212）、质量块支撑平台（114）；（6）在步骤（5）所述图案上分别溅射铬/金金属层（9）；（7）在金属层（9）上旋涂3.4 μm光刻胶（8），并对其进行光刻，显影出掩模版图形；（8）将步骤（7）所述器件放入金刻蚀溶液中刻蚀8分钟，取出后进行水洗，并将其放入到铬刻蚀溶液中浸泡20秒，取出后，第三图形层（A3）分别形成：梳齿电容正电极（161），平板电容下电极（122），梳齿电容负电极163，感测正电极（124），第三图形层（A3）感测负电极（125）
接地电极（17）等电极图案；（9）对步骤（8）所述器件用丙酮溶液进行清洗，去除残留光刻胶（8）；（10）在衬底层（6）上旋涂3.4 μm光刻胶（8），曝光显影出掩模版背向刻蚀图案，并放在恒温炉中烘烤，使光刻胶（8）硬化；（11）对步骤（10）所述图案利用干法刻蚀技术刻蚀形成基座（4）；（12）对步骤（11）所述器件进行湿法刻蚀，去除多余的二氧化硅层（7），释放器件，剩下的二氧化硅层（7）作为防串联沟槽112；（13）利用显微镜，在步骤（5）所述器件的质量块支撑平台（114）上分别粘附不同尺寸硅质量块（2）并进行固化。6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种低频振动环境的宽频域振动能采集装置，其特征在于：所述的硅质量块与极板间隙调节块，其制备方法步骤如下：（a）在衬底层（6）上面沉积二氧化硅层（7）；（b）在步骤（a）所述二氧化硅层（7）上面旋涂3.4 μm光刻胶（8）并进行光刻和显影，形成掩模版上的图案；（c）利用湿法刻蚀技术去掉多余的二氧化硅层（7），形成多种尺寸矩形轮廓18；（d）在衬底层（6）下面旋涂3.4 μm光刻胶（8），进行曝光和显影，形成同步骤（c）所述同样的图案，并将其放在恒温炉中烘烤，使光刻胶（8）硬化；（e）在光刻胶（8）掩蔽下利用干法刻蚀技术刻蚀步骤（d）所述图案，最终得到尺寸不一的矩形块层A4，在矩形块层A4分别呈现硅质量块（2）与极板间隙调节块31。7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种低频振动环境的宽频域振...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋杰，王东方，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：