專利名稱：壓電雙晶片式mems能量采集器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電技術(shù)領(lǐng)域的裝置及其制備方法，具體是一種壓電雙晶 片式MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems，微機電系統(tǒng))能量采集器及其制備方法。
背景技術(shù)：
傳感器/驅(qū)動器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)、RFID (射頻識別)、無線通訊等技術(shù)發(fā)展迅速， 這些技術(shù)的發(fā)展要求相應(yīng)元器件的電能供應(yīng)部件具有體積小、壽命長甚至無需更換、無人 看管等特點，盡管電池的儲能密度和使用壽命不斷得以提高，傳統(tǒng)電池仍具有一些無法改 變的供能缺陷體積大，質(zhì)量大，供能壽命有限，能量耗盡需重復(fù)充電等。通過能量采集技術(shù) 將器件工作環(huán)境中的振動能量轉(zhuǎn)換為電能的MEMS微能源不需攜帶化學(xué)原料，具有尺寸小、 壽命長、可以和微機電系統(tǒng)集成等優(yōu)點，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各無線節(jié)點的微型化、集成化和自供 能，是解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)等的供能問題的有效解決方案之一。基于振動的能量采集方法一般有三種壓電式、靜電式和電磁式。相對于靜電 和電磁式，壓電能量采集器具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高和壽命長，可與MEMS加工工藝兼容 等優(yōu)點。因此，利用壓電材料獲取環(huán)境振動實現(xiàn)發(fā)電近來成為人們的關(guān)注熱點。壓電振 動能量采集器是一種由壓電材料和彈性材料以及作為電極的金屬材料復(fù)合而成的多層結(jié) 構(gòu)，多為懸臂梁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)大體可以分成兩種，即只包含單塊壓電材料結(jié)構(gòu)的單晶片結(jié)構(gòu) (unimorph)以及包含兩塊鍵合在一起的壓電層結(jié)構(gòu)的雙晶片結(jié)構(gòu)(bimorph)。相對于單晶 片結(jié)構(gòu)，相同條件下雙晶片結(jié)構(gòu)可獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率，因而廣泛應(yīng)用于能量采集器 中。目前，完全集成制造的MEMS壓電式振動能量收集器，都是只包含一個壓電晶片，即壓電 單晶片結(jié)構(gòu)。究其原因，主要是因為對于微機械加工手段來說，制作壓電雙晶片結(jié)構(gòu)的工藝 非常復(fù)雜。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，杜小振等在《供能材料與器件學(xué)報》(2008年第14 期，P116-P120)中撰文“環(huán)境振動能收集系統(tǒng)的微型壓電懸臂梁設(shè)計與制作”，該文提及了 MEMS壓電能量采集器的設(shè)計過程以及微加工制備工藝，設(shè)計的壓電能量采集器包括硅基 底、下電極、壓電層、上電極、絕緣層，主要采用體硅和面硅相結(jié)合的加工工藝。但是，該技術(shù) 中的懸臂梁結(jié)構(gòu)為壓電單晶片結(jié)構(gòu)，器件能量轉(zhuǎn)換效率較低。又經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，T.H. NG 等在《Journal of Intelligent Material Systems and Structures (智能材料與結(jié)構(gòu))》(2005年第16期，P 785-P797)中撰文“Sensi鈦vity Analysis and EnergyHarves鐵ng for a Self-Powered Piezoeletric Sensor(自供能壓 電傳感器的靈敏度和能量采集分析)”。該文對兩類雙晶片型和單晶片型能量采集器的輸出 功率作了比較，但文中主要作理論分析，涉及到的雙晶片結(jié)構(gòu)是宏觀意義上的器件，未給出 MEMS壓電雙晶片器件的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種壓電雙晶片式MEMS能量采集器及其制備方法。本發(fā)明采用壓電雙晶片式結(jié)構(gòu)，大大提高了器件的能量轉(zhuǎn)換效率，且詳細的 給出其制備方法，制備方法簡單，易于實現(xiàn)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及的壓電雙晶片式MEMS能量采集器，包括若干壓電雙晶片懸臂梁，每 個壓電雙晶片懸臂梁包括硅固定基座、壓電雙晶片和質(zhì)量塊，其中壓電雙晶片的一端固 定在硅固定基座上，壓電雙晶片的另一端懸空，質(zhì)量塊固定在壓電雙晶片的懸空端。所述的壓電雙晶片和硅固定基座通過環(huán)氧樹脂膠粘貼。所述的壓電雙晶片和質(zhì)量塊通過環(huán)氧樹脂膠粘貼。所述的質(zhì)量塊是鎳金屬塊，或者是鎢金屬塊。所述的壓電雙晶片包括金屬基片、兩層壓電薄膜和兩層電極，其中第一層壓電 薄膜位于金屬基片的上表面，第二層壓電薄膜位于金屬基片的下表面，第一層電極位于第 一層壓電薄膜的上表面，第二層電極位于第二層壓電薄膜的下表面。所述的金屬基片是銅片，或者是鋁合金片。所述的金屬基片的厚度范圍是10 u m-20 u m。所述的壓電薄膜是壓電陶瓷薄膜，其厚度范圍是5 u m-10 u m。所述的電極是Cr，或者是Ni，或者是NiCr合金，或者是Cr/Cu合金，或者是鈦/Pt
a全
口巫o本發(fā)明涉及的上述壓電雙晶片式MEMS能量采集器的制備方法，包括以下步驟第一步，使用提拉法使金屬基片的上下表面附有壓電薄膜，并在壓電薄膜上濺射 或蒸發(fā)一層金屬材料，從而得到壓電雙晶片。所述的提拉法，具體是以5mm/min-10mm/min的提拉速度使金屬基片在壓電薄膜 中提膜，提一次膜后立即在100°c -150°C溫度大氣環(huán)境下烘10min-15min，再將其冷至室 溫，然后再進行下一次提膜，待N次提膜結(jié)束后，將其在50(TC -70(TC退火2h。所述的金屬材料是Cr，或者是Ni，或者是NiCr合金，或者是Cr/Cu合金，或者是鈦
/Pt合金。第二步，使用膠粘貼方法將壓電雙晶片粘貼在硅片的上表面。所述的膠粘貼方法是通過絲網(wǎng)印刷法將厚度小于2um的環(huán)氧樹脂膠涂在壓電雙 晶片上。第三步，使用微加工工藝在硅片的下表面形成一個矩形槽。所述的微加工工藝包括光刻、顯影、濕法Si02刻蝕、濕法體Si加工、干法Si加工、 干法Si02刻蝕和離子銑刻蝕。第四步，使用切片機切割硅片和壓電雙晶片，將硅片分為若干獨立的硅固定基座， 相應(yīng)的壓電雙晶片分為若干獨立的壓電雙晶片，使每個硅固定基座上的壓電雙晶片的一端
固定，另一端懸空。所述的硅固定基座的尺寸相同，或者不同。第五步，采用SU8膠工藝制備若干質(zhì)量塊，并使用膠粘貼方法使每個壓電雙晶片 的懸空端粘有一個質(zhì)量塊。所述的SU8 膠工藝是基于 UV-LIGA(UltraViolet-Lithographie，Galanoformung， Abformimg，紫外-光刻、電鑄和注塑)技術(shù)，包括光刻、顯影和電鑄。
第六步，沿著壓電雙晶片厚度方向?qū)弘婋p晶片進行極化。所述的極化是采用并聯(lián)方式，使壓電雙晶片的上下兩個電極的極化方向相反。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是壓電雙晶片式MEMS能量采集器的轉(zhuǎn)換效 率明顯提高(提高50%以上)，從而得到高的輸出功率，且其制備方法簡單可靠，能與微加 工工藝集成加工，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計和制作中具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的俯視圖。圖3是實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下 述的實施例。實施例1本實施例涉及的壓電雙晶片式MEMS能量采集器，包括若干壓電雙晶片懸臂梁， 如圖1所示，每個壓電雙晶片懸臂梁包括硅固定基座、壓電雙晶片和質(zhì)量塊，其中壓電雙 晶片的一端固定在硅固定基座上，壓電雙晶片的另一端懸空，質(zhì)量塊固定在壓電雙晶片的 懸空端。所述的質(zhì)量塊是鎳金屬塊。所述的壓電雙晶片包括金屬基片、兩層壓電薄膜和兩層電極，其中第一層壓電 薄膜位于金屬基片的上表面，第二層壓電薄膜位于金屬基片的下表面，第一層電極位于第 一層壓電薄膜的上表面，第二層電極位于第二層壓電薄膜的下表面。所述的金屬基片是銅片，其厚度為lOum。所述的壓電薄膜是壓電陶瓷薄膜，其厚度為lOym。所述的電極是Cr/Cu合金，其厚度為為0. 15um。所述的第二層電極和硅固定基座通過環(huán)氧樹脂膠粘貼。所述的質(zhì)量塊和第一層壓電薄膜通過環(huán)氧樹脂膠粘貼。本實施例涉及的上述壓電雙晶片式MEMS能量采集器的制備方法，包括以下步驟第一步，使用提拉法使銅片的上下表面附有壓電薄膜，并在壓電薄膜上蒸發(fā)一層 0. 15um厚的Cr/Cu合金，從而得到壓電雙晶片。所述的提拉法，具體是以5mm/min的提拉速度使銅片在壓電薄膜中提膜，提一次 膜后立即在100°c溫度大氣環(huán)境下烘15min，再空冷至室溫，然后再進行下一次提膜，待7次 提膜結(jié)束后，將其在600°C退火2h，使得銅片的上下表面附有l(wèi)Oum厚的壓電薄膜。第二步，使用膠粘貼方法將壓電雙晶片粘貼在硅片的上表面。所述的膠粘貼方法，具體是通過絲網(wǎng)印刷法將厚度小于2um的環(huán)氧樹脂膠涂在 壓電雙晶片上，進而使壓電雙晶片粘貼在硅片的上表面，隨后將粘有壓電雙晶片的硅片在 50°C的溫度下固化1小時，隨后在100°C溫度下固化3小時。
第三步，使用微加工工藝在硅片的下表面形成一個矩形槽。所述的微加工工藝，具體是在粘貼好壓電雙晶片的硅片下表面以3000轉(zhuǎn)/分鐘 的速度AZ4620光刻膠30秒，通過光刻和顯影工藝對Si02圖形化，濕法刻蝕Si02，腐蝕液成 分和質(zhì)量比為HF NH4F H20 = 28 113 170，刻蝕溫度為45°C，從而在正膠的掩蔽 作用下，光刻圖形處的Si02將被HF酸腐蝕；腐蝕5102后，采用K0H溶液(配比K0H H20 =44g 100ml)腐蝕Si，蝕刻溫度為85°C，刻蝕至20 u m-30 u m厚的硅膜時停止刻蝕；采 用XeF2刻硅系統(tǒng)干法刻蝕Si，再利用RIE刻蝕Si02層，最后采用離子銑刻蝕系統(tǒng)刻蝕環(huán)氧 樹脂膠。第四步，使用切片機切割硅片和壓電雙晶片，將硅片分為若干獨立的硅固定基座， 相應(yīng)的壓電雙晶片分為若干獨立的壓電雙晶片，使每個硅固定基座上的壓電雙晶片的一端
固定，另一端懸空。本實施例在切割前，用蠟填充刻蝕好的矩形槽，以防止切割時對器件的損壞。所述的硅固定基座的形狀和尺寸不同。所述的切片機中切片刀的厚度為500i!m，即各壓電雙晶片懸臂梁之間的間距為 500 u m。第五步，采用SU8膠工藝制備若干鎳金屬塊，并使用膠粘貼方法使每個壓電雙晶 片的懸空端粘有一個鎳金屬塊。所述的SU8膠工藝是基于UV-LIGA技術(shù)，具體是在潔凈的硅片上濺射鈦膜作為 種子層，然后對鈦膜進行氧化處理以改善基底與SU8膠的結(jié)合力，在鈦膜上以600轉(zhuǎn)/分鐘 的速度SU8-500光刻膠30秒，得到膠厚度約為500 u m，光刻、顯影得到矩形質(zhì)量塊空腔，接 著電鑄M質(zhì)量塊，電鑄之前將SU8膠模具在RIE (反應(yīng)離子刻蝕機)機器中用02離子轟擊 2-3分鐘，浸入鎳電鑄液中，連續(xù)電鑄70h，最后去除SU8膠，用稀釋的HF酸去除鈦犧牲層， 得到所需的鎳金屬塊。所述的膠粘貼方法，具體是通過絲網(wǎng)印刷法將厚度小于2um的環(huán)氧樹脂膠涂在 鎳金屬塊上，進而使鎳金屬塊粘貼在壓電雙晶片的懸空端，隨后將粘有鎳金屬塊的壓電雙 晶片在50°C溫度下固化1小時，隨后在100°C溫度下固化3小時。第六步，沿著壓電雙晶片厚度方向?qū)弘婋p晶片進行極化。所述的極化是采用并聯(lián)方式，使壓電雙晶片的上下兩個電極的極化方向相反。本實施例制備得到的壓電雙晶片式MEMS能量采集器的俯視圖如圖2所示。實施例2本實施例涉及的壓電雙晶片式MEMS能量采集器，包括若干壓電雙晶片懸臂梁， 如圖3所示，每個壓電雙晶片懸臂梁包括硅固定基座、壓電雙晶片和質(zhì)量塊，其中壓電雙 晶片的一端固定在硅固定基座上，壓電雙晶片的另一端懸空，質(zhì)量塊固定在壓電雙晶片的 懸空端。所述的質(zhì)量塊是鎳金屬塊。所述的壓電雙晶片包括金屬基片、兩層壓電薄膜和兩層電極，其中第一層壓電 薄膜位于金屬基片的上表面，第二層壓電薄膜位于金屬基片的下表面，第一層電極位于第 一層壓電薄膜的上表面，第二層電極位于第二層壓電薄膜的下表面。所述的金屬基片是鋁合金片，其厚度為15um。
所述的壓電薄膜是壓電陶瓷薄膜，其厚度為5i!m。所述的電極是Cr，其厚度為為0. lum。所述的第二層電極和硅固定基座通過環(huán)氧樹脂膠粘貼。所述的質(zhì)量塊和第一層壓電薄膜通過環(huán)氧樹脂膠粘貼。本實施例涉及的上述壓電雙晶片式MEMS能量采集器的制備方法，包括以下步驟第一步，使用提拉法使鋁合金片的上下表面附有壓電薄膜，并在壓電薄膜上濺射 一層0. lum厚的Cr合金，從而得到壓電雙晶片。所述的提拉法，具體是以lOmm/min的提拉速度使鋁合金片在壓電薄膜中提膜， 提一次膜后立即在150°C溫度大氣環(huán)境下烘lOmin，再空冷至室溫，然后再進行下一次提 膜，待4次提膜結(jié)束后，將其在600°C退火2h，使得鋁合金片的上下表面附有5um厚的壓電薄膜。第二步，使用膠粘貼方法將壓電雙晶片粘貼在硅片的上表面。所述的膠粘貼方法，具體是通過絲網(wǎng)印刷法將厚度小于2um的環(huán)氧樹脂膠涂在 壓電雙晶片上，進而使壓電雙晶片粘貼在硅片的上表面，隨后將粘有壓電雙晶片的硅片在 50°C溫度下固化1小時，隨后在100°C溫度下固化3小時。第三步，使用微加工工藝在硅片的下表面形成一個矩形槽。所述的微加工工藝，具體是在粘貼好壓電雙晶片的硅片下表面以3000轉(zhuǎn)/分鐘 的速度AZ4620光刻膠30秒，通過光刻和顯影工藝對Si02圖形化，濕法刻蝕Si02，腐蝕液成 分和質(zhì)量比為HF NH4F H20 = 28 113 170，刻蝕溫度為45°C，從而在正膠的掩蔽 作用下，光刻圖形處的Si02將被HF酸腐蝕；腐蝕Si02后，采用Si02做掩膜，ICP-RIE (感應(yīng) 耦合等離子體_反應(yīng)離子刻蝕機)刻蝕硅片，最后采用離子銑刻蝕系統(tǒng)刻蝕環(huán)氧樹脂膠。第四步、使用切片機切割硅片和壓電雙晶片，將硅片分為若干獨立的硅固定基座， 相應(yīng)的壓電雙晶片分為若干獨立的壓電雙晶片，使每個硅固定基座上的壓電雙晶片的一端 固定，另一端懸空。本實施例在切割前，用蠟填充刻蝕好的矩形槽，以防止切割時對器件的損壞。所述的硅固定基座的形狀和尺寸相同。所述的切片機中切片刀的厚度為200i!m，即各壓電雙晶片懸臂梁之間的間距為 200 iim。第五步、采用SU8膠工藝制備若干鎳金屬塊，并使用膠粘貼方法使每個壓電雙晶 片的懸空端粘有一個鎳金屬塊。所述的SU8膠工藝是基于UV-LIGA技術(shù)，具體是在潔凈的硅片上濺射鈦膜作為種 子層，然后對鈦膜進行氧化處理以改善基底與SU8膠的結(jié)合力，在鈦膜上以600轉(zhuǎn)/分鐘的 速度SU8-500光刻膠30秒，得到膠厚度約為500 u m，光刻、顯影得到矩形質(zhì)量塊空腔，接著 電鑄M質(zhì)量塊，電鑄之前將SU8膠模具在RIE機器中用02離子轟擊2-3分鐘，浸入鎳電鑄 液中，連續(xù)電鑄70h，最后去除SU8膠，用稀釋的HF酸去除鈦犧牲層，得到所需的鎳金屬塊。所述的膠粘貼方法，具體是通過絲網(wǎng)印刷法將厚度小于2um的環(huán)氧樹脂膠涂在 鎳金屬塊上，進而使鎳金屬塊粘貼在壓電雙晶片的懸空端，隨后將粘有鎳金屬塊的壓電雙 晶片在溫度50°C溫度下固化1小時，隨后在100°C溫度下固化3小時。第七步，沿著壓電雙晶片厚度方向?qū)弘婋p晶片進行極化。
所述的極化是采用并聯(lián)方式，使壓電雙晶片的上下兩個電極的極化方向相反。上述兩個實施例制備得到的壓電雙晶片式MEMS能量采集器較現(xiàn)有的單晶片式能 量采集器的能量轉(zhuǎn)換效率提高50%以上，可有效克服MEMS壓電能量采集器輸出功率較低 的問題。
權(quán)利要求
一種壓電雙晶片式MEMS能量采集器，其特征在于，包括若干壓電雙晶片懸臂梁，每個壓電雙晶片懸臂梁包括硅固定基座、壓電雙晶片和質(zhì)量塊，其中壓電雙晶片的一端固定在硅固定基座上，壓電雙晶片的另一端懸空，質(zhì)量塊固定在壓電雙晶片的懸空端；所述的壓電雙晶片包括金屬基片、兩層壓電薄膜和兩層電極，其中第一層壓電薄膜位于金屬基片的上表面，第二層壓電薄膜位于金屬基片的下表面，第一層電極位于第一層壓電薄膜的上表面，第二層電極位于第二層壓電薄膜的下表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電雙晶片式MEMS能量采集器，其特征是，所述的質(zhì)量塊是 鎳金屬塊，或者是鎢金屬塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電雙晶片式MEMS能量采集器，其特征是，所述的金屬基片 是銅片，或者是鋁合金片，其厚度范圍是10 u m-20 u m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電雙晶片式MEMS能量采集器，其特征是，所述的壓電薄膜 是壓電陶瓷薄膜，其厚度范圍是5 u m-10 u m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電雙晶片式MEMS能量采集器，其特征是，所述的電極是 Cr,或者是Ni，或者是NiCr合金，或者是Cr/Cu合金，或者是鈦/Pt合金。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電雙晶片式MEMS能量采集器的制備方法，其特征在 于，包括以下步驟第一步，使用提拉法使金屬基片的上下表面附有壓電薄膜，并在壓電薄膜上濺射或蒸 發(fā)一層金屬材料，從而得到壓電雙晶片；第二步，使用膠粘貼方法將壓電雙晶片粘貼在硅片的上表面；第三步，使用微加工工藝在硅片的下表面形成一個矩形槽；第四步，使用切片機切割硅片和壓電雙晶片，將硅片分為若干獨立的硅固定基座，相 應(yīng)的壓電雙晶片分為若干獨立的壓電雙晶片，使每個硅固定基座上的壓電雙晶片的一端固定，另一端懸空；第五步，采用SU8膠工藝制備若干質(zhì)量塊，并使用膠粘貼方法使每個壓電雙晶片的懸 空端粘有一個質(zhì)量塊；第六步，沿著壓電雙晶片厚度方向?qū)弘婋p晶片進行極化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電雙晶片式MEMS能量采集器的制備方法，其特征是，所述 的提拉法，具體是以5mm/min-10mm/min的提拉速度使金屬基片在壓電薄膜中提膜，提一 次膜后立即在100°C -150°C溫度大氣環(huán)境下烘10min-15min，再將其冷至室溫，然后再進行 下一次提膜，待N次提膜結(jié)束后，將其在50(TC -70(TC退火2h。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電雙晶片式MEMS能量采集器的制備方法，其特征是，所述 的膠粘貼方法是通過絲網(wǎng)印刷法將厚度小于2um的環(huán)氧樹脂膠涂在質(zhì)量塊或者壓電雙晶 片上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電雙晶片式MEMS能量采集器的制備方法，其特征是，所述 的微加工工藝包括光刻、顯影、濕法Si02刻蝕、濕法體Si加工、干法Si加工、干法Si02刻 蝕和離子銑刻蝕。
全文摘要
一種微機電技術(shù)領(lǐng)域的壓電雙晶片式MEMS能量采集器及其制備方法，裝置包括若干壓電雙晶片懸臂梁，每個壓電雙晶片懸臂梁包括硅固定基座、壓電雙晶片和質(zhì)量塊，其中所述的壓電雙晶片包括金屬基片、兩層壓電薄膜和兩層電極；方法包括使用提拉法使金屬基片的上下表面附有壓電薄膜，并在壓電薄膜上濺射或蒸發(fā)一層金屬材料，得到壓電雙晶片；將壓電雙晶片粘貼在硅片的上表面；在硅片的下表面形成一個矩形槽；切割硅片和壓電雙晶片；制備若干質(zhì)量塊，并將質(zhì)量塊粘貼在壓電雙晶片的懸空端；對壓電雙晶片進行極化。本發(fā)明轉(zhuǎn)換效率高，輸出功率大，制作簡單可靠，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與制作中具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號B81B3/00GK101860262SQ20101017808
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者劉景全, 唐剛, 李以貴, 楊春生, 柳和生 申請人:上海交通大學(xué)