物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動電磁自供電微傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動電磁自供電微傳感器，集成了壓電換能器和整流天線系統(tǒng)兩種能量收集自供電模塊，分別針對機械振動能和雜散電磁能起到能量收集、轉(zhuǎn)換和儲能的作用。該發(fā)明在砷化鎵襯底上，由MEMS懸臂梁、濾波電路、整流電路和儲能電容組成。MEMS懸臂梁從上往下共有五層：上電極，壓電薄膜，下電極，氮化硅電介質(zhì)層和矩形微帶貼片天線；與錨區(qū)連接的兩個并列的窄梁支撐著末端的橢圓形結(jié)構(gòu)。該發(fā)明兩模塊的集成能夠相互補充，矩形微帶貼片天線結(jié)構(gòu)作為質(zhì)量塊增加懸臂梁振動時的慣性力和形變，而梁的振動擴展天線收集能量的方向性范圍。該發(fā)明提高了能量收集效率和供電能力，減少了雜散磁場和機械振動對射頻收發(fā)組件的影響。
【專利說明】'大量重金屬以及廢酸、廢堿等電介質(zhì)溶液，〔路技術(shù)和1213技術(shù)的進步，近年來興起的女方案，使得實現(xiàn)自供電的低功耗智能微型戸，大量存在機械振動能和雜散磁場能兩種蜜梁振動/電磁自供電微傳感器，同時實現(xiàn)I集，轉(zhuǎn)換和儲存，以備使用。
統(tǒng)(如物聯(lián)網(wǎng))發(fā)展中遇到的自供電和小型為了提高對射頻收發(fā)組件中的環(huán)境能量的I出了物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動/；電系統(tǒng)集成了機械振動壓電能量收集模塊《起到相互補充的作用；功能上由壓電換能口雜散電磁能起到能量收集、轉(zhuǎn)換和儲能的.件中懸臂梁振動/電磁自供電微傳感器以極，電壓從前一個壓電轉(zhuǎn)換模塊的上電極和后一個壓電轉(zhuǎn)換模塊的下電極引出。上電極和下電極分別覆蓋在兩個壓電薄膜的上下表面，上電極、下電極和壓電薄膜位于懸臂梁的最大應力處，懸臂梁靠近錨區(qū)的位置，即并列的兩個窄梁部分各有一個壓電能量轉(zhuǎn)換模塊。懸臂梁末端的橢圓形部分作為矩形微帶貼片天線的制作平臺，沒有放置壓電換能器結(jié)構(gòu)，用作懸臂梁結(jié)構(gòu)中的質(zhì)量塊發(fā)揮作用，增強了懸臂梁振動時的慣性力和形變。當懸臂梁發(fā)生振動時會在壓電薄膜的上下表面產(chǎn)生電荷，通過上下電極的串聯(lián)把兩個壓電換能器的輸出電壓疊加起來，如此可以增加輸出電壓值。壓電換能器輸出的電壓送到整流電路進行交直流變換；最后送到儲能裝置用于向系統(tǒng)供電。壓電換能器是將機械振動能轉(zhuǎn)換為直流電能，并能減小機械振動對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和器件造成的損耗。
[0007]整流天線系統(tǒng)由矩形微帶貼片天線、濾波電路、整流電路和儲能電容組成。微帶貼片天線位于懸臂梁末端的橢圓形部分，包括接地板、電介質(zhì)層和金屬貼片三個部分，其中接地板是共享壓電轉(zhuǎn)換器的電極構(gòu)成，電介質(zhì)層是氮化硅材料，偏心饋電的矩形微帶貼片天線的饋線經(jīng)過其中一個窄梁引出。矩形微帶貼片天線接收到的周圍環(huán)境雜散電磁波能量經(jīng)過濾波電路和整流電路，之后轉(zhuǎn)換為直流能量，然后送到儲能電容。隨著1213懸臂梁的振動，矩形微帶貼片天線的方向性會發(fā)生變化，從而擴大了天線收集電磁波能量的方向性范圍。
[0008]物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中微懸臂梁振動/電磁自供電微傳感器的制備方法:首先準備砷化鎵襯底，在襯底上用等離子體增強化學氣相沉積法淀積氮化硅介質(zhì)層并光刻以生長錨區(qū)，在砷化鎵襯底上用涂覆方式淀積聚酰亞胺犧牲層并光刻以便于生長懸臂梁五層結(jié)構(gòu):在聚酰亞胺層上用蒸發(fā)淀積方式淀積第一層金并光刻形成微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)，在第一層金上用法淀積氮化硅介質(zhì)層并光刻形成微帶天線的電介質(zhì)基板，在氮化硅介質(zhì)層上方用蒸發(fā)淀積方式淀積第二層金并光刻生成微帶天線的接地板金屬層同時也作為壓電換能器的部分電極，在第二層金上用化學溶液淀積法淀積壓電材料以生成壓電換能器的壓電薄膜層，在壓電薄膜上用蒸發(fā)淀積方式淀積第三層金并光刻生成壓電換能器的另外一部分電極，用濕法刻蝕釋放聚酰亞胺犧牲層生成懸臂梁與襯底之間的空氣層。最后通過封裝完成懸臂梁和濾波電路、整流電路和儲能裝置的連接。
[0009]有益效果:本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動/電磁自供電微傳感器結(jié)構(gòu)新穎；實現(xiàn)了對機械振動能和雜散電磁能這兩種能量收集自供電技術(shù)的集成，減小了系統(tǒng)的尺寸和重量；另外兩種能量收集模塊的集成相互補充，懸臂梁的振動能夠擴展整流天線收集電磁能的方向性范圍，矩形微帶貼片天線部分作為質(zhì)量塊增加了懸臂梁的慣性力和形變。同時，提高了系統(tǒng)的電磁兼容性，抑制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抖動。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動電磁自供電微傳感器的頂視圖；
[0011]圖2為物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動電磁自供電微傳感器的底視圖；
[0012]圖3為圖1-2物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動電磁自供電微傳感器沿八-八’方向的縱向剖面圖；
[0013]圖4為圖1-2物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動電磁自供電微傳感器沿8-8’方向的縱向剖面圖；[0014]圖中包括:上電極1，壓電薄膜2，下電極7，氮化硅電介質(zhì)層3，矩形微帶貼片天線4，錨區(qū)5，砷化鎵襯底6，濾波電路8，整流電路9，儲能電容10。
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明的的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動電磁自供電微傳感器的具體實施方案如下:
[0016]在砷化鎵襯底6上設有:腿13懸臂梁，在懸臂梁的周圍輔以濾波電路8、整流電路9以及儲能電容10。
[0017]1213懸臂梁共有五層結(jié)構(gòu)組成，從上往下依次為:上電極1，壓電薄膜2，下電極7，氮化硅電介質(zhì)層3和矩形微帶貼片天線4。懸臂梁跟錨區(qū)的連接處由兩個并列的窄梁構(gòu)成，兩個并列的窄梁共同支撐著末端的橢圓形結(jié)構(gòu)。懸臂梁用于集成壓電換能器和整流天線系統(tǒng)兩種能量收集模塊。上電極1、下電極7、矩形微帶貼片天線4采用的材料為八I！。
[0018]壓電換能器由上電極1、壓電薄膜2、下電極7、整流電路9和儲能電容10組成，由兩個壓電轉(zhuǎn)換模塊相互串聯(lián)構(gòu)成，即一個壓電轉(zhuǎn)換模塊的下極板7串聯(lián)另一個壓電轉(zhuǎn)換模塊的上極板1，電壓從前一個壓電轉(zhuǎn)換模塊的上極板1和后一個壓電轉(zhuǎn)換模塊的下極板7引出。上電極1和下電極7分別覆蓋在兩個壓電薄膜2的上下表面，上電極1、下電極7和壓電薄膜2位于懸臂梁的最大應力處，懸臂梁靠近錨區(qū)的位置，即并列的兩個窄梁部分各有一個壓電能量轉(zhuǎn)換模塊。懸臂梁末端的橢圓形部分作為矩形微帶貼片天線4的制作平臺，沒有放置壓電換能器結(jié)構(gòu)，用作懸臂梁結(jié)構(gòu)中的質(zhì)量塊發(fā)揮作用，增強了懸臂梁振動時的慣性力和形變。當懸臂梁發(fā)生振動時會在壓電薄膜2的上下表面產(chǎn)生電荷，通過上下電極把兩個壓電換能器的輸出電壓串聯(lián)起來。壓電換能器輸出的電壓送到整流電路9進行交直流變換；最后送到儲能電容10用于向系統(tǒng)供電。壓電換能器是將機械振動轉(zhuǎn)換為直流電能，并能減小機械振動造成的損耗。
[0019]整流天線系統(tǒng)由矩形微帶貼片天線4、濾波電路8、整流電路9和儲能電容10組成。矩形微帶貼片天線4位于懸臂梁末端的橢圓形部分，包括接地板、氮化硅電介質(zhì)層和金屬貼片三個部分，矩形微帶貼片天線的饋線經(jīng)過其中一個窄梁引出。矩形微帶貼片天線4接收到的周圍環(huán)境電磁波能量經(jīng)過濾波電路8和整流電路9，轉(zhuǎn)換為直流能量，然后送到儲能電容10。隨著1213懸臂梁的振動，矩形微帶貼片天線4的方向性會有變化，從而擴大了天線收集電磁波能量的方向性范圍。
[0020]物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中微懸臂梁振動/電磁自供電微傳感器的制備方法:首先準備砷化鎵襯底，在襯底上用等離子體增強化學氣相沉積法淀積氮化硅介質(zhì)層并光刻以生長錨區(qū)，在砷化鎵襯底上用涂覆方式淀積聚酰亞胺犧牲層并光刻以便于生長懸臂梁五層結(jié)構(gòu):在聚酰亞胺層上用蒸發(fā)淀積方式淀積第一層金并光刻形成微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)，在第一層金上用法淀積氮化硅介質(zhì)層并光刻形成微帶天線的電介質(zhì)基板，在氮化硅介質(zhì)層上方用蒸發(fā)淀積方式淀積第二層金并光刻生成微帶天線的接地板金屬層同時也作為壓電換能器的部分電極，在第二層金上用化學溶液淀積法淀積壓電材料以生成壓電換能器的壓電薄膜層，在壓電薄膜上用蒸發(fā)淀積方式淀積第三層金并光刻生成壓電換能器的另外一部分電極，用濕法刻蝕釋放聚酰亞胺犧牲層生成懸臂梁與襯底之間的空氣層。最后通過封裝完成懸臂梁和濾波電路、整流電路和儲能裝置的連接。[0021]區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標準如下:本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動丨電磁自供電微傳感器，能夠同時收集機械振動能和雜散電磁能，轉(zhuǎn)換為直流能量實現(xiàn)系統(tǒng)自供電。兩種能量收集自供電技術(shù)的集成還起到相互補充的作用:微帶貼片天線結(jié)構(gòu)用作質(zhì)量塊以增強懸臂梁振動時的慣性力和形變，從而增加壓電換能器的輸出電能；而懸臂梁振動時會改變矩形微帶貼片天線的接收方向，從而擴大收集電磁能的方向性范圍。
[0022]滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動丨電磁自供電微傳感器。
【權(quán)利要求】
1.一種物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動電磁自供電微傳感器，其特征是在砷化鎵襯底（6)上設有一個錨區(qū)（5)，一個橢圓形結(jié)構(gòu)的MEMS懸臂梁通過兩個并列的窄梁連接到錨區(qū)（5)上，該MEMS懸臂梁共有五層結(jié)構(gòu)組成，從上往下依次為：上電極（1)，壓電薄膜（2)，下電極（7)，氮化硅電介質(zhì)層（3)和矩形微帶貼片天線（4);由上電極（1)，壓電薄膜（2)，下電極（7)構(gòu)成壓電轉(zhuǎn)換模塊，在懸臂梁的周圍輔以濾波電路（8)、整流電路（9)和儲能電容(10)，同時實現(xiàn)針對機械振動能和雜散電磁能這兩種能量收集模塊的集成，解決了低功耗系統(tǒng)的自供電問題；系統(tǒng)中兩種能量收集模塊相互補充，矩形微帶貼片天線用作質(zhì)量塊增強梁振動的慣性力和形變，梁的振動能夠擴展矩形微帶貼片天線收集能量的方向性范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中懸臂梁振動電磁自供電微傳感器，其特征是所述的上電極（I)、壓電薄膜（2)、下電極（7)、整流電路（9)和儲能電容（10)組成壓電換能器，該壓電換能器由兩個壓電轉(zhuǎn)換模塊相互串聯(lián)構(gòu)成，即一個壓電轉(zhuǎn)換模塊的下電極串聯(lián)另一個壓電轉(zhuǎn)換模塊的上電極，電壓從前一個壓電轉(zhuǎn)換模塊的上電極和后一個壓電轉(zhuǎn)換模塊的下電極引出；上電極和下電極分別覆蓋在兩個壓電薄膜的上下表面，上電極、下電極和壓電薄膜位于懸臂梁的最大應力處，懸臂梁靠近錨區(qū)的位置，即并列的兩個窄梁部分各有一個壓電能量轉(zhuǎn)換模塊；懸臂梁末端的橢圓形部分作為矩形微帶貼片天線的制作平臺，沒有放置壓電換能器結(jié)構(gòu)，用作懸臂梁結(jié)構(gòu)中的質(zhì)量塊發(fā)揮作用，增強了懸臂梁振動時的慣性力和形變。
【文檔編號】H02J17/00GK103840707SQ201410057963
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月20日
【發(fā)明者】廖小平, 王文巖 申請人:東南大學