一種全叉指電極微型壓電厚膜振動能量收集器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微型壓電振動能量收集器及其制作方法，特別涉及一種全叉指電極微型壓電厚膜振動能量收集器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS器件和納電子器件的快速發(fā)展對超低功率電源提出了極大的需求，催生了能量收集技術(shù)的研宄。目前振動能量收集技術(shù)主要有三種:壓電式、電磁式和靜電式，其中壓電式具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、無須啟動電源等優(yōu)點而受到關(guān)注，但微型壓電能量收集器的設(shè)計要解決兩個關(guān)鍵問題:
[0003]1.柔性基底的選擇。微型能量收集器的柔性基底大量采用硅。專利CN103618044A公開了采用表面犧牲層工藝和各項同性濕法刻蝕工藝釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)的方法，避免了體硅襯底用濕法刻蝕從背面釋放懸臂梁工藝中易出現(xiàn)的污染問題。但硅材料的斷裂韌性較小，會影響硅結(jié)構(gòu)在振動環(huán)境中的使用壽命。
[0004]2.耦合模式的選擇。壓電能量收集器最常用的兩種耦合模式是d31模式和d33模式。專利CN 103840075 A公開了一種采用d31耦合模式的MEMS壓電振動能量收集器，通過將大尺寸PZT壓電陶瓷片鍵合到硅襯底后減薄的技術(shù)，解決了 PZT無法做厚的問題。但這種工作模式下的能量收集器本身的等效電容大、輸出電壓受限，不利于后端二極管整流電路。專利CN 102820806 A公開了一種雙叉指電極壓電微能源發(fā)生器，利用壓電d33耦合模式輸出電壓高的特點，同時解決了單叉指電極能量收集器輸出電荷低的問題。但表面叉指電極處于同一表面，彎曲電場只能將淺層壓電材料極化，因此表面叉指電極的d33模式只適用于薄膜材料能量收集器。
[0005]對于問題1，與硅材料相比，不銹鋼、PET等柔性材料具有更容易形變、低成本、易制備、機械性能好、成形性好等優(yōu)點，且其斷裂韌性較大，更耐疲勞。因此，本發(fā)明提出了以柔性材料如不銹鋼做柔性基底的壓電振動能量收集器。
[0006]對于問題2，本發(fā)明提出的全叉指電極微型壓電厚膜振動能量收集器的電極從壓電材料表面一直深入到柔性基底上表面，壓電材料可完全極化，避免了表面叉指電極d33模式俘能器中存在材料極化不完全的問題。將d33耦合模式與壓電厚膜材料相結(jié)合可使能量收集器同時具有較大的輸出電壓和輸出功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述問題，提供一種將d33耦合模式與壓電厚膜材料相結(jié)合的全叉指電極微型壓電厚膜振動能量收集器及其制作方法，其電壓調(diào)節(jié)范圍大、輸出功率高，便于批量生產(chǎn)。
[0008]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0009]一種全叉指電極微型壓電厚膜振動能量收集器，設(shè)置有壓電懸臂梁和質(zhì)量塊，質(zhì)量塊位于懸臂梁的末端；所述的壓電懸臂梁包括柔性柔性基底、絕緣層、電極柱和壓電層，絕緣層二氧化硅位于柔性柔性基底之上，電極柱位于絕緣層之上；所述的電極柱呈梳狀叉指結(jié)構(gòu)，壓電層填充在叉指電極柱之間。
[0010]所述的柔性基底可以為不銹鋼或聚酰亞胺，絕緣層可以為二氧化硅或氮化硅。
[0011]所述的電極柱為金屬T1、Pt與Ni的組合。
[0012]所述的壓電層可以為PZT壓電厚膜材料、氧化鋅或氮化鋁。
[0013]所述的懸臂梁可以為矩形結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)形式，所述的質(zhì)量塊也可以為矩形結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)形式。
[0014]上述的一種全叉指電極微型壓電厚膜振動能量收集器的制造方法，步驟如下:
[0015]在懸臂梁柔性基底上形成絕緣層；在絕緣層上形成具有梳狀叉指電極形狀窗口的光刻膠層；采用磁控濺射和電鍍的方法制備叉指電極柱；靜電霧化沉積方法在叉指電極柱之間制備壓電厚膜材料；按各種尺寸要求線切割出所需懸臂梁；在懸臂梁的末端粘貼質(zhì)量塊。
[0016]本發(fā)明突破現(xiàn)有表面叉指電極振動能量收集器只適用于壓電薄膜材料的限制，提出了一種將叉指電極d33模式和壓電厚膜材料相結(jié)合的全叉指電極微型壓電厚膜振動能量收集器。通過調(diào)整叉指電極間距可調(diào)節(jié)微型能量收集器的輸出電壓。
[0017]本發(fā)明使用斷裂韌性更大、更耐疲勞的不銹鋼材料取代硅材料作為振動能量收集器的柔性基底，可延長能量收集器在振動環(huán)境中的使用壽命。
[0018]本發(fā)明采用靜電霧化沉積法適于制備壓電厚膜材料，工藝精度高、制備速度快、無需腐蝕等優(yōu)點，非常適合制作MEMS器件。
[0019]本發(fā)明提供的微型壓電振動能量收集器采用MEMS工藝，器件結(jié)構(gòu)簡單，適合批量制作；電壓調(diào)節(jié)范圍大、輸出功率高，可為無線傳感器節(jié)點和醫(yī)療設(shè)備供電，具有較高的研宄價值和廣闊的市場應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0020]圖1是整體結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖2是在柔性基底上生長絕緣層后的主體結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0022]圖3是在絕緣層上旋涂光刻膠顯影后的主體結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0023]圖4是在光刻膠顯影開窗后制備Ti金屬層和Pt金屬層的主體結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0024]圖5是在Pt金屬層的基礎(chǔ)上電鍍生長Ni電極柱的主體結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0025]圖6是在剝離光刻膠之后的主體結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0026]圖7是制備壓電厚膜材料之后的主體結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0027]圖8是制備壓電厚膜材料之后的主體結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0028]圖中:1為柔性基底；2為絕緣層；3為顯影后的光刻膠層；4為Ti金屬層；
[0029]5為Pt金屬層；6為Ni電極柱；7為叉指電極柱；8為壓電厚膜材料；
[0030]9為左叉指電極連線；10為右叉指電極連線；11為左叉指電極焊盤；
[0031]12為右叉指電極焊盤；13為質(zhì)量塊。
【具體實施方式】
[0032]本發(fā)明提供的全叉指電極微型壓電厚膜振動能量收集器，主要用于收集環(huán)境中的振動能。利用懸臂梁結(jié)構(gòu)獲取振動能量，然后通過壓電效應(yīng)將振動能量轉(zhuǎn)化為電能，用于給無線傳感器節(jié)點單元等低功耗設(shè)備供電。下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0033]如圖1所示:一種全叉指電極微型壓電厚膜振動能量收集器，包括柔性基底I ;所述的絕緣層2位于柔性基底I之上；在絕緣層2之上，利用光刻膠3光刻并圖形化出具有叉指電極形狀的窗口 ；采用磁控濺射在窗口區(qū)域制備Ti金屬層4、Pt金屬層5 ;利用電鍍工藝將Ni電極柱6生長至指定高度，至此