一種基于微加工技術(shù)的壓電電磁集成發(fā)電裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于微加工技術(shù)的壓電電磁集成發(fā)電
目.0
【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)電系統(tǒng)是指尺寸在幾厘米以下的小型裝置，它是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，主要由傳感器、執(zhí)行器和微能源三大部分組成。微機(jī)電系統(tǒng)因具有成本低、體積小、重量輕、可靠性高、能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能、可批量制作、可集成的特點(diǎn)，使其在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、生物、醫(yī)學(xué)、航空、航天以及日常生活和家電領(lǐng)域擁有越來越廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、集成化、封裝、可靠性測(cè)試等共性技術(shù)推動(dòng)了其發(fā)展，市場(chǎng)的需求帶動(dòng)了微機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)步，而微機(jī)電技術(shù)與微米、納米技術(shù)的結(jié)合，則給微機(jī)電系統(tǒng)帶來了許多新的機(jī)遇和發(fā)展前景。利用微加工技術(shù)制作的MEMS產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療與衛(wèi)生、生物、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、信息通信和礦井檢測(cè)等領(lǐng)域。隨著MEMS無線傳感器和MEMS器件的發(fā)展，它們的體積越來越小，功能越來越強(qiáng)，保障這些MEMS設(shè)備正常工作消耗的能量也隨之增多，于是，供能已成為亟待解決的重點(diǎn)問題。目前，大部分微機(jī)電系統(tǒng)的供電仍采用微型化學(xué)電池，化學(xué)電池的性質(zhì)決定了其壽命有限，因此，需要定期更換化學(xué)電池，以保證設(shè)備的正常工作。然而，隨著MEMS設(shè)備的體積越來越小、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越精密，微型化學(xué)電池的更換變得越來越困難。因此，替代傳統(tǒng)微型化學(xué)電池，利用MEMS器件從工作環(huán)境中采集能量為微機(jī)電系統(tǒng)供能成為近些年廣泛研宄的方向。振動(dòng)型能量采集器是一種將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種能量采集器件，因?yàn)閹缀跛械钠骷⑾到y(tǒng)都在一定的振動(dòng)環(huán)境下工作，所以振動(dòng)型能量采集器得到了廣泛的發(fā)展?，F(xiàn)有的采用從環(huán)境中普遍存在的振動(dòng)能驅(qū)動(dòng)發(fā)電的微能源，其能量轉(zhuǎn)換形式以壓電式和電磁式為主，壓電式微能源具有輸出電壓高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易與包含硅體的微電子傳感器集成和所需外圍能量控制器件較少等優(yōu)點(diǎn)，但其輸出電流較低；電磁式微電源輸出電流較大，但輸出電壓較低。因此，如何將壓電和電磁兩種能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)集成在一個(gè)系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)微電源的能量轉(zhuǎn)換效率和能量密度，成為本領(lǐng)域亟待解決的問題。
[0004]此外，MEMS器件從實(shí)驗(yàn)室走出投入到市場(chǎng)，進(jìn)而得到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵一步是MEMS封裝，根據(jù)國外多項(xiàng)統(tǒng)計(jì)表明，MEMS封裝成本占總制造成本的60 %至80 %。MEMS封裝一般具有以下特點(diǎn):器件結(jié)構(gòu)多樣性、器件功能多樣性、器件材料多樣性、器件工藝多樣性等等。有些高級(jí)MEMS器件還需要在真空環(huán)境下工作，這時(shí)就需要對(duì)MEMS器件進(jìn)行真空封裝。真空封裝技術(shù)是一個(gè)多年來未能攻克的技術(shù)難題，許多很有創(chuàng)意、具有潛在市場(chǎng)應(yīng)用的MEMS器件由于沒有可靠的真空封裝技術(shù)，只能停留在實(shí)驗(yàn)室做功能演示。
[0005]由此可見，現(xiàn)有技術(shù)有待于進(jìn)一步的改進(jìn)和提尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為避免上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供了一種可實(shí)現(xiàn)發(fā)電裝置的集成制造和真空封裝，并可有效地將環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的基于微加工技術(shù)的壓電電磁集成發(fā)電裝置。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0008]一種基于微加工技術(shù)的壓電電磁集成發(fā)電裝置，包括襯底，襯底的上方設(shè)置有外殼和蓋板，外殼的上部和下部均為開口結(jié)構(gòu)，外殼的底端與襯底的上端面相鍵合，外殼的頂端與蓋板的下端面之間設(shè)置有相互鍵合的焊片和金屬環(huán)片，焊片的頂端與蓋板的下端面相鍵合，金屬環(huán)片的底端與外殼的頂端相鍵合，所述蓋板、焊片、金屬環(huán)片、外殼及襯底之間配合形成真空腔室，真空腔室內(nèi)設(shè)置有邊框，邊框上設(shè)置有基板，基板上設(shè)置有壓電發(fā)電機(jī)構(gòu)和電磁發(fā)電機(jī)構(gòu)。
[0009]所述真空腔室內(nèi)加入吸氣劑。
[0010]所述基板為PCB板，其中央開設(shè)有正方形的通口，所述壓電發(fā)電機(jī)構(gòu)包括硅基壓電懸臂梁硅片單元，該硅基壓電懸臂梁硅片單元包括第一硅層、下電極片、硅基壓電懸臂梁和上電極片，硅基壓電懸臂梁有四根，每根硅基壓電懸臂梁均呈L型，四根硅基壓電懸臂梁的中間設(shè)置有一塊定位平臺(tái)，定位平臺(tái)的下端面上設(shè)置有圓柱形永磁鐵，永磁鐵與襯底的上端面之間留有振動(dòng)間隙，第一硅層設(shè)置在基板的下端面上，下電極片位于第一硅層的下方，硅基壓電懸臂梁位于上、下電極片之間，各硅基壓電懸臂梁的短邊上均設(shè)置有上電極引線點(diǎn)和下電極引線點(diǎn)；所述電磁發(fā)電機(jī)構(gòu)包括微型平面感應(yīng)線圈硅片單元，該微型平面感應(yīng)線圈硅片單元包括第二硅層和微型平面感應(yīng)線圈，第二硅層設(shè)置在基板的上端面上，微型平面感應(yīng)線圈設(shè)置在第二硅層的下端面上且位于上述通口中間，微型平面感應(yīng)線圈上設(shè)置有正極引線點(diǎn)和負(fù)極引線點(diǎn)，第二硅層的中央開設(shè)有引線孔；所述基板的下端面上設(shè)置有硅基壓電懸臂梁接線點(diǎn)，基板的上端面上設(shè)置有微型平面感應(yīng)線圈接線點(diǎn)。
[0011]第一硅層包括呈方框狀的外圍硅片，外圍硅片的面積大于上述通口的面積，外圍硅片的上端面與基板的下端面固連，外圍硅片的內(nèi)圈設(shè)置有與四根硅基壓電懸臂梁和定位平臺(tái)的安裝形狀相適配的內(nèi)側(cè)硅片；第一硅層的下表面上設(shè)置有第一二氧化硅層，上電極片和硅基壓電懸臂梁之間設(shè)置有PZT壓電材料層；第二硅層與微型平面感應(yīng)線圈之間設(shè)置有第二二氧化硅層。
[0012]所述永磁鐵采用燒結(jié)釹鐵硼N-30作為永磁材料，永磁鐵通過AB膠粘附在定位平臺(tái)的中央。
[0013]所述硅基壓電懸臂梁的末端內(nèi)外拐角處呈45 °圓角。
[0014]所述硅基壓電懸臂梁硅片單元與微型平面感應(yīng)線圈硅片單元之間通過低溫超聲陽極鍵合工藝鍵合，使硅基壓電懸臂梁與微型平面感應(yīng)線圈之間保持500um至100um的距離。
[0015]所述上、下電極片均由Pt制成，在濺射Pt之前，需先在PZT壓電材料層以及第一二氧化硅層上濺射一層50nm的Ti作為結(jié)合層；所述微型平面感應(yīng)線圈與第二二氧化硅層之間濺射有一層40nm的Ti作為結(jié)合層。
[0016]所述襯底是由硅制成的，襯底的上端面鍍有Au膜，形成與外部連接的薄膜型金屬化布線，金屬化布線的兩端設(shè)置引線鍵合焊盤，上述壓電發(fā)電機(jī)構(gòu)的引線和電磁發(fā)電機(jī)構(gòu)的引線通過熱聲鍵合工藝與引線鍵合焊盤相鍵合以實(shí)現(xiàn)能量的輸出。
[0017]所述外殼是由陶瓷制成的，外殼的底端鍍有Au膜；所述蓋板的下表面和金屬環(huán)片的上表面均鍍有Ni和Au，金屬環(huán)片通過共晶鍵合工藝鍵合在外殼的頂端面上，所述焊片為金錫焊料；所述邊框的截面呈U型，邊框是由陶瓷制成的，邊框的下端面鍍有Au膜，邊框的下端面通過共晶鍵合工藝鍵合在襯底的上端面上，邊框與外殼內(nèi)壁之間、邊框與蓋板的下端面之間均留有間隙。
[0018]本發(fā)明還公開了一種基于微加工技術(shù)的壓電電磁集成發(fā)電裝置的制備方法，該制備方法包括如下步驟:
[0019]步驟1:制作四根硅基壓電懸臂梁，各硅基壓電懸臂梁呈L型，各硅基壓電懸臂梁的末端內(nèi)外拐角處均呈45°圓角，且硅基壓電懸臂梁長(zhǎng)的部分為3.5mm，短的部分為600um，厚度為lOOum，寬度為300um ;將四根硅基壓電懸臂梁相對(duì)放置，并在四者形成的包圍圈的中央處設(shè)置定位平臺(tái)；
[0020]步驟2:制備掩膜版，選取100型硅片，對(duì)其單面進(jìn)行拋光形成第一硅層，采用標(biāo)準(zhǔn)清洗，烘干后對(duì)拋光的第一硅層的表面進(jìn)行熱氧化形成第一二氧化硅層；
[0021]步驟3:甩正膠BP212、前烘、光刻、顯影、后烘，用氫氟酸腐蝕第一硅層背面的第一二氧化硅層，去正膠，使用掩膜版，用KOH溶液刻蝕第一硅層另一面的硅杯，預(yù)留硅基壓電懸臂梁釋放的厚度為90um，雙面對(duì)準(zhǔn)刻蝕第一二氧化硅層從而釋放出窗口圖形；
[0022]步驟4:通過濺射工藝，在第一二氧化硅層表面先濺射一層50nm的Ti作為結(jié)合層，然后在結(jié)合層上濺射200nm的Pt ;甩負(fù)膠BN30