一種集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),包括晶圓襯底和能量收集單元;所述晶圓襯底的上表面上生長(zhǎng)有下電極;所述能量收集單元為由多層薄膜構(gòu)成的平面結(jié)構(gòu),由下至上依次包括第一絕緣介質(zhì)層、駐極體薄膜層、第二絕緣介質(zhì)層和導(dǎo)電電極層,所述能量收集單元通過(guò)立柱固定在晶圓襯底的上方、并形成懸臂梁結(jié)構(gòu);所述導(dǎo)電電極層為電磁波能量吸收提供低損耗載體通路,同時(shí)所述導(dǎo)電電極層與下電極形成電容結(jié)構(gòu)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)基于集成思想,通過(guò)微機(jī)械制造手段將多種能量收集方式進(jìn)行單片集成,可以適用于多種場(chǎng)合,具有存活系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn);且本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可基于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工工藝制備,生產(chǎn)成本低,能夠大面積制備。
【專利說(shuō)明】一種集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),尤其涉及一種能夠同時(shí)收集電磁能和環(huán)境振動(dòng)能量?jī)煞N微能量的能量收集結(jié)構(gòu),屬于能量收集技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]能量收集(Energy Harvesting)也稱為能量積聚,使用環(huán)境能量為小型電子和電氣器件提供電能。能量收集模塊從光、振動(dòng)、熱、無(wú)線電波或生物來(lái)源中捕獲毫瓦級(jí)能量;然后,電源經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)并存儲(chǔ)在電池、高效快速充電電容器等設(shè)備內(nèi)。當(dāng)需要使用時(shí),能量釋放出來(lái)以提供給外電路續(xù)航。這方面典型的應(yīng)用實(shí)例比如:行動(dòng)電話、免充電遙控器、可發(fā)電的衣服、E標(biāo)簽(或智能包裝)、無(wú)源鐘表、可攜式照明、助聽器、無(wú)電源無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)路、無(wú)電源醫(yī)療設(shè)備和軍事裝置等等。近年來(lái),微能量收集的研究之所以受到越來(lái)越多的關(guān)注,是由于目前人們所使用消費(fèi)類電子產(chǎn)品種類越來(lái)越多,充電變成了讓多數(shù)消費(fèi)者頭疼的問(wèn)題。如何延長(zhǎng)電子產(chǎn)品的使用時(shí)間是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。微能量收集提供了一種“開源”的方式來(lái)應(yīng)對(duì)延長(zhǎng)電子產(chǎn)品續(xù)航時(shí)間的問(wèn)題,相對(duì)于“節(jié)流”——也即減少器件功耗的方式,這一途徑有可能從源頭上找到問(wèn)題的關(guān)鍵,達(dá)到“治本”的目的。
[0003]具體而言,環(huán)境中的能量包括光能(太陽(yáng)光,照明光等)、熱能(溫差)、聲音(各種噪音)、機(jī)械能(各種運(yùn)動(dòng))等;在具體的應(yīng)用環(huán)境中,幾種能量有可能同時(shí)存在,比如在通常收集太陽(yáng)能的同時(shí),也可以對(duì)熱能和風(fēng)能進(jìn)行收集,因?yàn)樘?yáng)光譜中的紅外成分會(huì)引起顯著的加熱效應(yīng),而加熱帶來(lái)的空氣對(duì)流即是風(fēng)能的源頭;又比如在收集人或動(dòng)物體表的溫差熱電的同時(shí),人或動(dòng)物運(yùn)動(dòng)伴隨著的機(jī)械能也可以同時(shí)被收集。另外,在某些場(chǎng)合,單一的能量收集途徑可能會(huì)由于能量源的消失或弱化而變得無(wú)效,成為系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),限制其應(yīng)用環(huán)境。因此,發(fā)展可以同時(shí)收集兩種以上能量的能量收集裝置具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。
[0004]值得注意的是,雖然能量收集的概念已經(jīng)提出很久了,許多廠商也進(jìn)行了很多的嘗試,但是大多數(shù)的產(chǎn)品并不成功,究其原因,一是產(chǎn)品實(shí)用性、可攜帶性不強(qiáng),二是收集的能量種類單一、收集能量不足。分析這些原因的深層次根源可以發(fā)現(xiàn):在現(xiàn)階段,微能量收集的能量轉(zhuǎn)化單元(或敏感器件)的設(shè)計(jì)和制造是重要的限制因素;能量的轉(zhuǎn)換效率不高、器件可收集的能量過(guò)于單一這兩個(gè)因素成為微能量收集敏感器件的“硬傷”。正因?yàn)榇?,近年?lái)針對(duì)敏感器件設(shè)計(jì)和制造方面的研究也成為微能量收集領(lǐng)域最受關(guān)注的課題之一。其中,提高器件的能量轉(zhuǎn)換效率主要依靠尋找新的敏感材料體系、優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)等等方式,而器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也最終受到材料特性的限制,而尋找新的高性能材料在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有的狀況下,集成多種能量收集機(jī)制、拓寬能量采集的源頭、實(shí)現(xiàn)多道能量采集的集成極有可能成為一種快速、有效解決問(wèn)題的方法。伴隨著電子產(chǎn)品的小型化、人性化、實(shí)用和工作穩(wěn)定成為一種根深蒂固的要求,通過(guò)合理設(shè)計(jì)發(fā)展多道能量收集技術(shù)必將會(huì)是未來(lái)微能量收集的重要發(fā)展方向之一。在相關(guān)方向的發(fā)展極有可能帶來(lái)微能量收集領(lǐng)域的新的增長(zhǎng)點(diǎn)。
[0005]目前,雖然國(guó)內(nèi)外從事微能量收集的單位非常多,但是大多數(shù)研究單位只在單一能量的收集方面進(jìn)行過(guò)較多的研究。隨著研究的逐步推進(jìn)和新的需求的提出,現(xiàn)在有部分有遠(yuǎn)見(jiàn)的研究單位或者公司已經(jīng)將注意力投向多種能量的同時(shí)收集上來(lái)。進(jìn)行多種能量同時(shí)收集的研究正在成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)方面研究的熱點(diǎn)之一。比如:意大利的D.Carli等人開發(fā)了一種同時(shí)收集多種環(huán)境能源的系統(tǒng);其中每種能量獨(dú)立收集后通過(guò)電源管理存儲(chǔ)在電池中。美國(guó)加州大學(xué)的C.Park等人研究了集成風(fēng)能、太陽(yáng)能、熱能和振動(dòng)能的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)中的能量收集管理,以期得到最大量的能量收集。
[0006]分析目前多道能量收集領(lǐng)域的相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn),現(xiàn)階段比較多的研究側(cè)重于將多種能量收集進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合,并引入電源管理和檢測(cè)模塊,同時(shí)協(xié)調(diào)幾種能量的收集方式,也即每種能量收集方式占用一個(gè)單獨(dú)的模塊,分別從各自的輸入口接入能量管理系統(tǒng)。而基于系統(tǒng)集成的思想將多種能量收集方式進(jìn)行單片整合的研究還鮮有報(bào)道?;谙到y(tǒng)集成的思想,將兩種以上的能量收集集成到同一個(gè)能量收集單元有利于精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高器件的可使用性,克服冗余,提高單位面積的能量利用率等等。這些優(yōu)點(diǎn)針對(duì)于提高日常消費(fèi)品的使用效率,擴(kuò)大其使用環(huán)境具有顯著的意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,本發(fā)明提供一種集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),基于系統(tǒng)集成的思想,通過(guò)微機(jī)械制造手段將多種能量收集方式進(jìn)行單片集成,主要針對(duì)日常環(huán)境中普遍存在的電磁波能量和機(jī)械振動(dòng)能量進(jìn)行收集。
[0008]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0009]一種集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),包括晶圓襯底和能量收集單元;所述晶圓襯底的上表面上生長(zhǎng)有下電極;所述能量收集單元為由多層薄膜構(gòu)成的平面結(jié)構(gòu),由下至上依次包括第一絕緣介質(zhì)層、駐極體薄膜層、第二絕緣介質(zhì)層和導(dǎo)電電極層,所述能量收集單元通過(guò)立柱固定在晶圓襯底的上方、并形成懸臂梁結(jié)構(gòu),自然狀態(tài)時(shí),能量收集單元與下電極位置平行;所述導(dǎo)電電極層為電磁波能量吸收提供低損耗載體通路,同時(shí)所述導(dǎo)電電極層與下電極形成電容結(jié)構(gòu)。
[0010]上述結(jié)構(gòu)中:導(dǎo)電電極層為電磁波能量吸收提供低損耗載體通路,能夠?qū)﹄姶挪芰窟M(jìn)行有效的吸收;駐極體薄膜層用于提供一個(gè)恒定電勢(shì),當(dāng)懸臂梁受到外界震動(dòng)的擾動(dòng)而起振時(shí),懸臂梁和襯底之間的距離發(fā)生改變,由此使得導(dǎo)電電極層與下電極形成的電容結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,引起電極中的感應(yīng)電荷分布發(fā)生改變并產(chǎn)生電荷輸送,利用這種電荷輸送便可以將懸臂梁振動(dòng)所攜帶的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。該結(jié)構(gòu)中,電磁波能量和機(jī)械振動(dòng)能量可以同時(shí)被吸收,隨后可以經(jīng)過(guò)專門的能量管理單元進(jìn)行管理和存儲(chǔ)。
[0011]優(yōu)選的,所述能量收集單元為平面螺旋形狀,具體可以根據(jù)特定頻率的電磁波具體設(shè)計(jì),比如矩形螺旋或圓形螺旋等。
[0012]優(yōu)選的,所述能量收集單元的數(shù)量為兩個(gè)以上,以陣列方式布置在晶圓襯底上方。
[0013]優(yōu)選的,所述第一絕緣介質(zhì)層為碳化硅、氧化硅或氧化鉿。
[0014]優(yōu)選的,所述駐極體薄膜層為特氟龍或離子注入型氧化硅。
[0015]優(yōu)選的,所述第二絕緣介質(zhì)層為碳化硅、氧化硅或氧化鉿。
[0016]優(yōu)選的,所述能量收集單元采用半導(dǎo)體加工工藝制備,比如半導(dǎo)體工藝中的薄膜淀積、圖形化、刻蝕等方法。[0017]有益效果:本發(fā)明提供的集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),基于系統(tǒng)集成的思想,通過(guò)微機(jī)械制造手段將多種能量收集方式進(jìn)行單片集成,主要針對(duì)日常環(huán)境中普遍存在的電磁波能量和機(jī)械振動(dòng)能量進(jìn)行收集,可以適用于多種場(chǎng)合,比如海上、高空或野外,以及日常生活中使用的各種小規(guī)模、便攜式、無(wú)人值守或無(wú)線無(wú)源電子設(shè)備中,具有存活系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn);并且本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可基于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工工藝制備,生產(chǎn)成本低,能夠大面積制備。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖;
[0019]圖2為本發(fā)明單個(gè)單元的俯視結(jié)構(gòu)示意圖;
[0020]圖3為能量收集單元的剖視結(jié)構(gòu)示意圖;
[0021 ]圖4為圖2的A-A向剖視圖;
[0022]圖5為圖2的B-B向剖視圖;
[0023]圖6為本發(fā)明的機(jī)械能收集原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0025]如圖1至圖5所示為一種集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),包括晶圓襯底4和能量收集單元I ;所述晶圓襯底4的上表面上生長(zhǎng)有下電極3 ;所述能量收集單元I為由多層薄膜構(gòu)成的平面結(jié)構(gòu),由下至上依次包括第一絕緣介質(zhì)層14、駐極體薄膜層13、第二絕緣介質(zhì)層12和導(dǎo)電電極層11,所述能量收集單元I通過(guò)立柱2固定在晶圓襯底4的上方、并形成懸臂梁結(jié)構(gòu),自然狀態(tài)時(shí),能量收集單元I與下電極3位置平行;所述導(dǎo)電電極層11為電磁波能量吸收提供低損耗載體通路,同時(shí)所述導(dǎo)電電極層11與下電極3形成電容結(jié)構(gòu)。
[0026]所述能量收集單元I為平面螺旋形狀,并以陣列的方式布置在晶圓襯底4上方;
[0027]所述能量收集單元I采用半導(dǎo)體加工工藝制備,第一絕緣介質(zhì)層14為碳化硅、氧化硅或氧化鉿,駐極體薄膜層13為特氟龍或離子注入型氧化硅,第二絕緣介質(zhì)層12為碳化硅、氧化硅或氧化鉿。
[0028]如圖6所示,為上述結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械能進(jìn)行收集的原理圖,圖中給出了懸臂梁的三個(gè)工作狀態(tài),能量收集單元I為初始位置,能量收集單元I (I)和能量收集單元I (2)為懸臂梁的振幅最大位置,當(dāng)能量收集單元I偏離初始位置時(shí),其與下電極3之間的間距就發(fā)生了變化,導(dǎo)致了電容的變化,使得電極上的感應(yīng)電荷產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),最終將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
[0029]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾,這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),其特征在于:包括晶圓襯底(4)和能量收集單元(I);所述晶圓襯底(4)的上表面上生長(zhǎng)有下電極(3);所述能量收集單元(I)為由多層薄膜構(gòu)成的平面結(jié)構(gòu),由下至上依次包括第一絕緣介質(zhì)層(14)、駐極體薄膜層(13)、第二絕緣介質(zhì)層(12)和導(dǎo)電電極層(11),所述能量收集單元(I)通過(guò)立柱(2)固定在晶圓襯底(4)的上方、并形成懸臂梁結(jié)構(gòu),自然狀態(tài)時(shí),能量收集單元(I)與下電極(3)位置平行;所述導(dǎo)電電極層(11)為電磁波能量吸收提供低損耗載體通路,同時(shí)所述導(dǎo)電電極層(11)與下電極(3)形成電容結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),其特征在于:所述能量收集單元(I)為平面螺旋形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),其特征在于:所述能量收集單元(I)的數(shù)量為兩個(gè)以上,以陣列方式布置在晶圓襯底(4)上方。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),其特征在于:所述第一絕緣介質(zhì)層(14)為碳化硅、氧化硅或氧化鉿。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),其特征在于:所述駐極體薄膜層(13)為特氟龍或離子注入型氧化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),其特征在于:所述第二絕緣介質(zhì)層(12)為碳化硅、氧化硅或氧化鉿。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式多道能量收集微機(jī)械結(jié)構(gòu),其特征在于:所述能量收集單元(I)采用半導(dǎo)體加工工藝制備。
【文檔編號(hào)】B81B3/00GK103787261SQ201410048344
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年2月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月12日
【發(fā)明者】萬(wàn)能, 黃見(jiàn)秋, 尹奎波, 孫立濤 申請(qǐng)人:東南大學(xué)