本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，具體為一種懸臂梁式薄膜壓力發(fā)電結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanicalsystem,mems）技術(shù)是以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的，聲、光、電、材料、力學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科交叉的革命性新技術(shù)。它采用半導(dǎo)體加工工藝，融合了光刻、腐蝕、刻蝕、沉積等關(guān)鍵技術(shù)，致力于打造集傳感器、執(zhí)行器和微能源于一體的超微小型智能芯片。mems技術(shù)在研發(fā)硅微傳感器的過(guò)程中由微電子技術(shù)逐漸演變而來(lái)，最初將其應(yīng)用于硅壓阻式壓力傳感器。隨著該技術(shù)的發(fā)展和推廣，運(yùn)用mems技術(shù)制備的各類硅基傳感器，如壓力傳感器、加速度計(jì)、溫度傳感器、氣體傳感器、集成光學(xué)傳感等，以其精度高、成本低、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)迅速實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。作為硅基傳感器中的典型代表，硅壓力傳感器具有制作工藝成熟、工作性能穩(wěn)定、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、自動(dòng)控制、航天航海、醫(yī)療衛(wèi)生和軍事應(yīng)用等方面。壓力傳感器主要以不同功能器件在硅基底上實(shí)現(xiàn)單片集成的智能化傳感微系統(tǒng)為研究目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、小量程、高工作溫度壓力探測(cè)，以滿足不同領(lǐng)域的工作要求。

目前體育比賽當(dāng)中諸如跆拳道、武術(shù)表演等賽場(chǎng)記分牌和照明設(shè)備等裝置都是通過(guò)外接電源工作的，不符合節(jié)能環(huán)保原則，在賽場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)員消耗掉的動(dòng)能沒(méi)有被利用起來(lái)，本發(fā)明就目前這種問(wèn)題，提供一種懸臂梁式薄膜壓力發(fā)電結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提供了一種懸臂梁式薄膜壓力發(fā)電結(jié)構(gòu)，并且提供了懸臂梁式環(huán)形諧振腔的薄膜發(fā)電的工作原理和壓電層制作方法。

本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種懸臂梁式薄膜壓力發(fā)電結(jié)構(gòu),包括框型基底，框型基底的一側(cè)開(kāi)口，框型基底開(kāi)口正對(duì)的梁上設(shè)有懸空在框型基底內(nèi)的硅懸臂梁，硅懸臂梁的自由端固定有質(zhì)量塊，框型基底開(kāi)口正對(duì)的梁上方還設(shè)有二氧化硅絕緣層，二氧化硅絕緣層上設(shè)有底電極層，底電極層上朝框型基底開(kāi)口側(cè)延伸有位于硅懸臂梁上方的條狀底電極層，質(zhì)量塊上設(shè)有pzt壓電層，pzt壓電層朝二氧化硅絕緣層方向延伸有位于條狀底電極層上方的條狀pzt壓電層，條狀pzt壓電層上方設(shè)有頂電極層。

上述的一種懸臂梁式薄膜壓力發(fā)電結(jié)構(gòu),pzt壓電層的制作方法包括以下步驟：

第一步：制備好前驅(qū)體溶膠,用甩膠機(jī)旋轉(zhuǎn)涂覆到襯底表面,在襯底上形成一層均勻的pzt濕膜，甩膠機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min,旋涂時(shí)間30s；

第二步：預(yù)熱干燥，將pzt濕膜放在180°c烘箱中烘烤10min,以除去水分和有機(jī)成分形成pzt干膜；

第三步：預(yù)熱處理，將pzt干膜放入馬福爐中進(jìn)行預(yù)熱處理,使溶膠發(fā)生凝膠縮聚形成固溶體，得到pzt薄膜；

第四步：重復(fù)上述步驟，在襯底上總共甩5層pzt薄膜；

第五步：最終退火處理，將5層pzt薄膜放入馬福爐中進(jìn)行最終退火處理,使pzt薄膜進(jìn)行凝聚,薄膜結(jié)晶逐漸由焦綠石相轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袎弘娦阅艿拟}欽礦相結(jié)構(gòu),最后隨爐自然冷卻；

第六步：重復(fù)上述步驟,直至達(dá)到所需的的厚度。

本發(fā)明懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的是為了使懸臂梁處于振動(dòng)環(huán)境中，能夠?qū)崿F(xiàn)共振模式,因此需要使懸臂梁的振動(dòng)頻率與環(huán)境振動(dòng)頻率接近。由于環(huán)境中普遍存在著主振頻率在100-500hz之間的低頻振動(dòng)源,因此,本發(fā)明設(shè)計(jì)的壓電懸臂梁要滿足諧振頻率在100-500hz之間,以便懸臂梁在這些振動(dòng)源中達(dá)到共振,最大的輸出電能。為了獲得更低諧振頻率,在懸臂梁的自由端增加了質(zhì)量塊,同時(shí)適當(dāng)?shù)脑黾訉挾?，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在壓電懸臂梁的自由端增加集中質(zhì)量塊,具有以下兩個(gè)方面的突出優(yōu)點(diǎn)，首先能夠降低懸臂梁的固有頻率,使結(jié)構(gòu)的固有頻率與環(huán)境振動(dòng)頻率相同或接近,從而使壓電發(fā)電的振動(dòng)系統(tǒng)在共振狀態(tài)下工作。其次,自由端集中質(zhì)量增加了慣性力,從而增加懸臂梁的變形,即增加輸入壓電層的機(jī)械能,輸出電能也就相應(yīng)的提高。當(dāng)該系統(tǒng)處于振動(dòng)環(huán)境中時(shí),外界環(huán)境中的振動(dòng)能傳遞到系統(tǒng)內(nèi),引起懸臂梁振動(dòng)并彎曲變形,使懸臂梁儲(chǔ)存機(jī)械能,讓?xiě)冶哿号c壓電層相結(jié)合,從而引起壓電層的伸縮進(jìn)而產(chǎn)生電信號(hào),實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

附圖說(shuō)明

圖1為懸臂梁式薄膜發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為懸臂梁式薄膜發(fā)電結(jié)構(gòu)分層示意圖。

圖3為懸臂梁式薄膜發(fā)電機(jī)構(gòu)工作原理示意圖。

圖中：1-框型基底，2-硅懸臂梁，3-質(zhì)量塊，4-二氧化硅絕緣層，5-底電極層，6-pzt壓電層，7-頂電極層。

具體實(shí)施方式

一種懸臂梁式薄膜壓力發(fā)電結(jié)構(gòu),包括框型基底1，框型基底1的一側(cè)開(kāi)口，框型基底開(kāi)口正對(duì)的梁上設(shè)有懸空在框型基底內(nèi)的硅懸臂梁2，硅懸臂梁2的自由端固定有質(zhì)量塊3，質(zhì)量塊3的寬度大于硅懸臂梁2的寬度，框型基底開(kāi)口正對(duì)的梁上方還設(shè)有二氧化硅絕緣層4，二氧化硅絕緣層4上設(shè)有pt/ti（鈦上面鍍鉑）底電極層5，pt/ti底電極層5上朝框型基底開(kāi)口側(cè)延伸有位于硅懸臂梁上方的條狀pt/ti底電極層5，質(zhì)量塊上設(shè)有pzt壓電層6，pzt壓電層6朝二氧化硅絕緣層方向延伸有位于條狀底電極層上方的條狀pzt壓電層6，條狀pzt壓電層上方設(shè)有pt/ti頂電極層7。

上述的一種懸臂梁式薄膜壓力發(fā)電結(jié)構(gòu)，pzt壓電層的制作方法包括以下步驟：

第一步：制備好前驅(qū)體溶膠,用甩膠機(jī)旋轉(zhuǎn)涂覆到襯底表面,在襯底上形成一層均勻的pzt濕膜，甩膠機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min,旋涂時(shí)間30s；

第二步：預(yù)熱干燥，將pzt濕膜放在180°c烘箱中烘烤10min,以除去水分和有機(jī)成分形成pzt干膜；

第三步：預(yù)熱處理，將pzt干膜放入馬福爐中進(jìn)行預(yù)熱處理,使溶膠發(fā)生凝膠縮聚形成固溶體，得到pzt薄膜；

第四步：重復(fù)上述步驟，在襯底上總共甩5層pzt薄膜；

第五步：最終退火處理，將5層pzt薄膜放入馬福爐中進(jìn)行最終退火處理,使pzt薄膜進(jìn)行凝聚,薄膜結(jié)晶逐漸由焦綠石相轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袎弘娦阅艿拟}欽礦相結(jié)構(gòu),最后隨爐自然冷卻；

第六步：重復(fù)上述步驟,直至達(dá)到所需的的厚度。

圖3為懸臂梁式薄膜發(fā)電機(jī)構(gòu)工作原理示意圖，其工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)處于振動(dòng)環(huán)境中時(shí),外界環(huán)境中的振動(dòng)能傳遞到系統(tǒng)內(nèi),引起硅懸臂梁振動(dòng)并彎曲變形,使硅懸臂梁儲(chǔ)存機(jī)械能,從而引起壓電層的伸縮進(jìn)而產(chǎn)生電信號(hào),實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，具體為一種懸臂梁式薄膜壓力發(fā)電結(jié)構(gòu)，包括框型基底，框型基底開(kāi)口正對(duì)的梁上設(shè)有懸空在框型基底內(nèi)的硅懸臂梁，硅懸臂梁的自由端固定有質(zhì)量塊，框型基底開(kāi)口正對(duì)的梁上方還設(shè)有二氧化硅絕緣層，二氧化硅絕緣層上設(shè)有底電極層，底電極層上朝框型基底開(kāi)口側(cè)延伸有位于硅懸臂梁上方的條狀底電極層，質(zhì)量塊上設(shè)有PZT壓電層，PZT壓電層朝二氧化硅絕緣層方向延伸有位于條狀底電極層上方的條狀PZT壓電層，條狀PZT壓電層上方設(shè)有頂電極層。當(dāng)系統(tǒng)處于振動(dòng)環(huán)境中時(shí),外界環(huán)境中的振動(dòng)能傳遞到系統(tǒng)內(nèi),引起硅懸臂梁振動(dòng)并彎曲變形,使硅懸臂梁儲(chǔ)存機(jī)械能,從而引起壓電層的伸縮進(jìn)而產(chǎn)生電信號(hào),實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

技術(shù)研發(fā)人員：閆樹(shù)斌;李國(guó)洪;張志東;張彥軍;馮登超;張勐;趙學(xué)峰;薛晨陽(yáng);張文棟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中北大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.03.31
技術(shù)公布日：2017.07.21