[發(fā)明專利]基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器及制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110446634.6
• 申請日: 2011-12-27
• 公開（公告）號: CN102544349A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉景全;唐剛;楊斌;楊春生;杉山進
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: H01L41/083
• 分類號: H01L41/083;H01L41/22;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種能源技術(shù)領(lǐng)域的器件，具體是一種基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻能量采集器及制備方法。

背景技術(shù)

隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)、各類植入式傳感器等研究的不斷深入，對其供電電源提出新的要求和挑戰(zhàn)。微型壓電式振動能量采集器，作為一種無需更換、無人看管的新型自我維持微能源，由于可以把器件所處的環(huán)境振動通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能而為各種低功耗微型電子器件供電，正受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界越來越多的關(guān)注。

目前，采用MEMS技術(shù)制備的壓電能量采集器，大部分是在硅材料基底沉積制備一層PZT薄膜以及作為電極的金屬材料復(fù)合而成的多層懸臂梁結(jié)構(gòu)。但比較成熟的PZT薄膜制備技術(shù)，比如sol-gel法，制備的厚度被限制在2μm以內(nèi)，這將限制器件的輸出性能。如何提高MEMS能量采集器的輸出性能以使其能夠滿足實際應(yīng)用一直是科研人員追求的目標(biāo)。

新型壓電單晶材料PMNT(xPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)PbTiO₃)，其壓電性能比傳統(tǒng)的PZT壓電陶瓷高出10倍，由于具有優(yōu)異的壓電性能，使得它可以替代傳統(tǒng)的壓電陶瓷，在聲探測、超聲成像、高應(yīng)變驅(qū)動器、能量采集等轉(zhuǎn)換器件上得到廣泛應(yīng)用。

另外，MEMS技術(shù)研制的壓電能量采集器的輸出功率與外部環(huán)境振動頻率密切相關(guān)，當(dāng)壓電能量采集器的固有頻率與外部環(huán)境振動頻率相同時，發(fā)生共振現(xiàn)象并得到最大輸出功率，但是，當(dāng)壓電能量采集器的固有頻率偏離外部振動頻率時，輸出的功率將不斷減少。因此，在寬頻范圍內(nèi)的能量采集技術(shù)是當(dāng)前MEMS能量采集技術(shù)領(lǐng)域的一大熱點和難題。

經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Chengliang?Sun，Lifeng?Qin等在《Journal?of?Intelligent?Material?Systems?and?Structures》20(2009)撰文“PiezoelectricEnergy?Harvesting?using?Single?Crystal?Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃(PMN-PT)Device”(“采用PMN-PT制備的壓電能量采集器”《智能材料與結(jié)構(gòu)期刊》)。該文中提及到的MEMS壓電能量采集器，是采用壓電性能較好的PMN-PT單晶材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PZT陶瓷材料制備的懸臂梁宏觀器件，這種形式雖可獲得較大的輸出功率，但器件較大且未解決寬頻問題，實用性不強。

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，提出一種基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器及制備方法，使壓電換能元件在低頻振動環(huán)境下獲得較大的輸出功率，以解決傳統(tǒng)的MEMS壓電能量采集器輸出功率低、工作頻帶窄等問題。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于PMNT壓電單晶的寬頻能量采集器，是一種將彎曲振動機械能轉(zhuǎn)換為電能的壓電器件，包括：硅固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層以及質(zhì)量塊，其中，所述硅固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層依次貼合形成多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)的一端懸空，所述質(zhì)量塊固定在所述多層結(jié)構(gòu)的自由端上。

所述的支撐層為柔性較好的碳纖維或玻璃纖維薄膜。

所述的支撐層與硅固定基座是通過環(huán)氧樹脂結(jié)合。

所述的PMNT壓電薄膜層，其表面覆蓋電極層。

所述的電極層為Cr、Ni、CrAu合金或TiPt合金制成。

所述的PMNT壓電薄膜層，是在支撐層上先通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂鍵合PMNT壓電單晶，再減薄PMNT制成。

所述的質(zhì)量塊為裝滿液體的容器。

所述的容器是指采用MEMS方法制備的空心容器。

所述的液體為室溫下液體的金屬如水銀、銦鎵。

本發(fā)明涉及的上述基于PMNT壓電單晶的寬頻MEMS能量采集器的制備方法，包括以下步驟：

第一步，將支撐層粘接于硅固定基座上；

所述的支撐層粘接于硅固定基座上，具體是：將支撐層通過環(huán)氧樹脂粘接在硅固定基座上，其中，硅固定基座是指雙面拋光并且表面熱氧化一層二氧化硅的硅片。

第二步，在支撐層上通過鍵合和減薄方法制備PMNT壓電薄膜；

所述的制備PMNT壓電薄膜方法，具體是：在制備的硅基支撐層上，將單面拋光的體材PMNT壓電材料，通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂粘貼在支撐層上，然后通過化學(xué)機械研磨拋光方法將PMNT壓電片厚度減薄至所需的厚度，如5μm-30μm。