[發明專利]一種螺旋型壓電式能量采集器及其制備方法

有效

• 申請號: 201410015461.6
• 申請日: 2014-01-14
• 公開（公告）號: CN103746602A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 張海霞;劉雯;韓夢迪;黃賢良;金勇
• 申請（專利權）人: 北京大學;北京三星通信技術研究有限公司
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所 11255
• 代理人: 毛燕生

技術領域

本發明涉及MEMS集成加工領域，具體是一種螺旋型低頻寬頻帶壓電式能量采集器及其制備方法。

背景技術

微機電系統（Micro-electro-mechanical?system,MEMS）由于具有能耗低，尺寸小等優異的特性，備受國內外科學家的關注。許多MEMS系統例如光學微機電系統（Optical?MEMS）、射頻微機電系統（RF?MEMS）等MEMS系統近年來發展迅速，但是,這些系統的供電問題正成為它們發展的重大障礙，其原因是傳統的MEMS器件供電部分體積大，存儲量有限，而且難以及時更換。由于能量采集器可以把環境中廣泛存在的振動能量轉換成電能,正受到越來越廣泛的重視。根據不同的工作原理，能量采集器可以分為電磁式、壓電式、靜電式等幾類。但是由于MEMS能量采集器尺寸小的原因，一般的能量采集器工作頻率都較高，且頻帶較窄，不能有效地采集自然界中的低頻振動。因此，低頻寬頻帶的能量采集器是近年來的研究熱點。

對于壓電式能量采集器，R?Elfrink等人利用氮化硅通過MEMS工藝制備了能量采集器[Elfrink?R,Kamel?T?M,Goedbloed?M,et?al.Vibration?energy?harvesting?with?aluminum?nitride-based?piezoelectric?devices[J].Journal?of?Micromechanics?and?Microengineering,2009,19(9):094005.]；Collins等利用人體活動能通過PVDF產生電能為個人電子器件如手機、電話機等供電[Collins?M,Behrens?S,McGarry?S.Evaluation?of?flexible?transducers?for?motion?energy?harvesting[C]//The16th?International?Symposium?on:Smart?Structures?and?Materials&Nondestructive?Evaluation?and?Health?Monitoring.International?Society?for?Optics?and?Photonics,2009:72880X-72880X-11]。但是上述的能量采集器均沒有充分滿足低頻和寬頻帶的需求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于螺旋型低頻寬頻帶壓電式能量采集器及其制備方法，采用壓電薄膜構成螺旋型的懸臂梁，并在懸臂梁的不同部位，利用傳統的MEMS加工工藝制作出銅質量塊與硅質量塊。同傳統的壓電型能量采集器相比，這種螺旋型的懸臂梁，一方面可以有效的加大懸臂梁的長度，降低其共振頻率；另一方面，這種結構有利于拓寬能量采集器的工作頻帶。另外，懸臂梁上不同部位的質量塊可以進一步的降低能量采集器的共振頻率。綜上所述，本發明提出的螺旋型帶壓電式能量采集器具有低頻寬頻帶的特點，而且其制備方式與傳統的MEMS工藝兼容，易于批量化生產。

為達到上述目的，本發明提供了一種螺旋型壓電式能量采集器，該結構包括：壓電薄膜、金屬電極、粘附層，金屬質量塊、硅質量塊。所述壓電薄膜為聚偏氟乙烯（polyvinylidene?fluoride,PVDF）；所述金屬電極為金屬銅或其它具有穩定性且導電性良好的金屬如金、銀、鉑等；所述粘附層材料為環氧樹脂（epoxy?resin）或其他具有耐強堿特性的粘附劑；所述金屬質量塊為金屬銅或者其他可被電鍍工藝加工的金屬如金、鎳等。

本發明還提供了一種螺旋型壓電能量采集器制造方法，包括以下步驟：

1）、通過低壓化學氣相淀積（LPCVD）的方法在硅片正反面淀積一層氮化硅薄膜，膜厚為100nm-1μm

2）、通過反應離子刻蝕（RIE）的方法，刻蝕掉硅片背面的氮化硅；

3）、利用光刻以及反應離子刻蝕（RIE）的方法，圖形化硅片正面的氮化硅薄膜；

4）、通過蒸發或濺射工藝，在PVDF薄膜兩側制備金屬電極；

5）、通過旋涂的方法，在上述圖形化的硅片上旋涂一層環氧樹脂膠。利用膠的粘附性，將步驟4中制備好的PVDF粘附在硅片背面；

6）、通過旋涂工藝，在步驟5制備的PVDF上旋涂光刻膠，并利用雙面對準光刻工藝將其圖形化。利用電鍍工藝，在PVDF膜制備得到金屬質量塊；

7)、利用聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）自流平工藝將PDMS溶液覆蓋于帶有PVDF的硅片的背面，加熱將其固化成膜，保護背面圖形；