一种全叉指电极微型压电厚膜振动能量收集器及其制作方法

摘要

本发明提出的一种全叉指电极微型压电厚膜振动能量收集器及其制作方法，设置有压电悬臂梁和质量块；所述的压电悬臂梁包括柔性基底、绝缘层、叉指电极柱和压电层；所述的柔性基底为不锈钢；所述的压电层为PZT压电厚膜材料；所述的叉指电极柱从压电材料表面一直深入到基底上表面，压电材料可完全极化，避免了表面叉指电极d33模式能量收集器中存在材料极化不完全的问题。本发明具有的优点有：采用MEMS工艺，器件结构简单，适合批量制作；使用寿命长、高电压调节范围大、可为无线传感器节点和医疗设备供电。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型压电振动能量收集器及其制作方法，特别涉及一种全 叉指电极微型压电厚膜振动能量收集器及其制作方法。

背景技术

MEMS器件和纳电子器件的快速发展对超低功率电源提出了极大的需求， 催生了能量收集技术的研究。目前振动能量收集技术主要有三种：压电式、电 磁式和静电式，其中压电式具有结构紧凑、转换效率高、无须启动电源等优点 而受到关注，但微型压电能量收集器的设计要解决两个关键问题：

1.柔性基底的选择。微型能量收集器的柔性基底大量采用硅。专利CN 103618044 A公开了采用表面牺牲层工艺和各项同性湿法刻蚀工艺释放悬臂梁 结构的方法，避免了体硅衬底用湿法刻蚀从背面释放悬臂梁工艺中易出现的污 染问题。但硅材料的断裂韧性较小，会影响硅结构在振动环境中的使用寿命。

2.耦合模式的选择。压电能量收集器最常用的两种耦合模式是d₃₁模式和d₃₃模式。专利CN 103840075 A公开了一种采用d₃₁耦合模式的MEMS压电振动能 量收集器，通过将大尺寸PZT压电陶瓷片键合到硅衬底后减薄的技术，解决了 PZT无法做厚的问题。但这种工作模式下的能量收集器本身的等效电容大、输 出电压受限，不利于后端二极管整流电路。专利CN 102820806 A公开了一种双 叉指电极压电微能源发生器，利用压电d₃₃耦合模式输出电压高的特点，同时解 决了单叉指电极能量收集器输出电荷低的问题。但表面叉指电极处于同一表面， 弯曲电场只能将浅层压电材料极化，因此表面叉指电极的d₃₃模式只适用于薄膜 材料能量收集器。

对于问题1，与硅材料相比，不锈钢、PET等柔性材料具有更容易形变、低 成本、易制备、机械性能好、成形性好等优点，且其断裂韧性较大，更耐疲劳。 因此，本发明提出了以柔性材料如不锈钢做柔性基底的压电振动能量收集器。

对于问题2，本发明提出的全叉指电极微型压电厚膜振动能量收集器的电极 从压电材料表面一直深入到柔性基底上表面，压电材料可完全极化，避免了表 面叉指电极d₃₃模式俘能器中存在材料极化不完全的问题。将d₃₃耦合模式与压 电厚膜材料相结合可使能量收集器同时具有较大的输出电压和输出功率。

发明内容

针对上述问题，提供一种将d₃₃耦合模式与压电厚膜材料相结合的全叉指电 极微型压电厚膜振动能量收集器及其制作方法，其电压调节范围大、输出功率 高，便于批量生产。

本发明通过以下技术方案实现：

一种全叉指电极微型压电厚膜振动能量收集器，设置有压电悬臂梁和质量 块，质量块位于悬臂梁的末端；所述的压电悬臂梁包括柔性柔性基底、绝缘层、 电极柱和压电层，绝缘层二氧化硅位于柔性柔性基底之上，电极柱位于绝缘层 之上；所述的电极柱呈梳状叉指结构，压电层填充在叉指电极柱之间。

所述的柔性基底可以为不锈钢或聚酰亚胺，绝缘层可以为二氧化硅或氮化 硅。

所述的电极柱为金属Ti、Pt与Ni的组合。

所述的压电层可以为PZT压电厚膜材料、氧化锌或氮化铝。

所述的悬臂梁可以为矩形结构或其他结构形式，所述的质量块也可以为矩 形结构或其他结构形式。

上述的一种全叉指电极微型压电厚膜振动能量收集器的制作方法，步骤如 下：

在悬臂梁柔性基底上形成绝缘层；在绝缘层上形成具有梳状叉指电极形状 窗口的光刻胶层；采用磁控溅射和电镀的方法制备叉指电极柱；静电雾化沉积 方法在叉指电极柱之间制备压电厚膜材料；按各种尺寸要求线切割出所需悬臂 梁；在悬臂梁的末端粘贴质量块。

本发明突破现有表面叉指电极振动能量收集器只适用于压电薄膜材料的限 制，提出了一种将叉指电极d₃₃模式和压电厚膜材料相结合的全叉指电极微型压 电厚膜振动能量收集器。通过调整叉指电极间距可调节微型能量收集器的输出 电压。

本发明使用断裂韧性更大、更耐疲劳的不锈钢材料取代硅材料作为振动能 量收集器的柔性基底，可延长能量收集器在振动环境中的使用寿命。

本发明采用静电雾化沉积法适于制备压电厚膜材料，工艺精度高、制备速 度快、无需腐蚀等优点，非常适合制作MEMS器件。

本发明提供的微型压电振动能量收集器采用MEMS工艺，器件结构简单， 适合批量制作；电压调节范围大、输出功率高，可为无线传感器节点和医疗设 备供电，具有较高的研究价值和广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是整体结构图。

图2是在柔性基底上生长绝缘层后的主体结构剖视图。

图3是在绝缘层上旋涂光刻胶显影后的主体结构剖视图。

图4是在光刻胶显影开窗后制备Ti金属层和Pt金属层的主体结构剖视图。

图5是在Pt金属层的基础上电镀生长Ni电极柱的主体结构剖视图。

图6是在剥离光刻胶之后的主体结构剖视图。

图7是制备压电厚膜材料之后的主体结构剖视图。

图8是制备压电厚膜材料之后的主体结构俯视图。

图中：1为柔性基底；2为绝缘层；3为显影后的光刻胶层；4为Ti金属层；

5为Pt金属层；6为Ni电极柱；7为叉指电极柱；8为压电厚膜材料；

9为左叉指电极连线；10为右叉指电极连线；11为左叉指电极焊盘；

12为右叉指电极焊盘；13为质量块。

具体实施方式

本发明提供的全叉指电极微型压电厚膜振动能量收集器，主要用于收集环 境中的振动能。利用悬臂梁结构获取振动能量，然后通过压电效应将振动能量 转化为电能，用于给无线传感器节点单元等低功耗设备供电。下面将结合附图 对本发明做进一步说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示：一种全叉指电极微型压电厚膜振动能量收集器，包括柔性基 底1；所述的绝缘层2位于柔性基底1之上；在绝缘层2之上，利用光刻胶3光 刻并图形化出具有叉指电极形状的窗口；采用磁控溅射在窗口区域制备Ti金属 层4、Pt金属层5；利用电镀工艺将Ni电极柱6生长至指定高度，至此，叉指 电极柱7已全部形成；利用静电雾化沉积法制备压电厚膜材料8，所述的压电材 料填充在叉指电极柱7之间的空隙处。

如图2～图8所示：上述结构的全叉指电极微型压电厚膜振动能量收集器可 以采用如下工艺步骤实现。具体的包括：

如图2所示：柔性基底1为长度3mm、厚30μm的304不锈钢片。所述的 柔性基底1依次使用酒精、丙酮和去离子水清洗；所述的绝缘层2为使用等离 子化学气相沉积方法制备的200nm厚的二氧化硅绝缘层，其作用是防止不锈钢 将叉指电极短路；

如图3所示：在绝缘层2之上，旋涂BP212正型光刻胶并前烘，甩胶速度 为3000rpm，匀胶时间30s，前烘条件为85℃。然后对光刻胶进行曝光、显影从 而将光刻胶图形化得到叉指电极形状；其中电极宽度为50μm，电极间距为 50μm。

如图4所示：在上述光刻胶显影开窗处以及光刻胶保留处通过磁控溅射Ti 金属层4和Pt金属层5；Pt具有非常好的热稳定性和导电性，Ti可以提高Pt与 二氧化硅之间的附着力；溅射条件为：衬底不加热，溅射功率300W，溅射时间 1min(Ti)和3min(Pt)，Ti/Pt的厚度分别为30nm和200nm；

如图5所示：利用电镀工艺在Pt金属层5上生长Ni电极柱6至7μm；

如图6所示：在丙酮溶液中浸泡3-5min，去除光刻胶后即得到电极柱7；

如图7所示：采用静电雾化沉积法制备压电厚膜材料8；压电厚膜材料8可 选择PZT压电材料；单次制备压电薄膜厚度为1μm左右，置于200℃加热台上 保持3min，用于蒸发有机溶剂，释放膜内应力；如此重复7次，直至压电材料 沉积到7μm；PZT压电材料高温退火，条件为室温下匀速升温至700℃，保持 20min后自然冷却至室温；将极化电源正极连接左叉指电极焊盘11，负极连接 右叉指电极焊盘12，极化电场55kV/mm，极化温度200℃，保持30min，继续 保持电场不变，自然冷却至室温，完成极化；所述的压电厚膜材料层8为锆钛 酸铅，其化学表达式为PbZr_xTi_1-xO₃。

图8为所述能量收集器的主体结构俯视图。

本发明的工作原理如下：当柔性基底1受外界环境中的振动能量驱动时， 悬臂梁会相应地产生受迫振动，进而引起压电材料内部的应力和形变，所述的 全叉指电极微型压电厚膜振动能量收集器利用的是压电d₃₃耦合模式，外部施加 的应力和因此引起的机械形变都沿着3方向，即悬臂梁的长度方向，而极化方 向为方向3，因此产生的电压也为3方向；产生的电压通过叉指电极焊盘11、 12引出。本发明提供的全叉指电极d₃₃模式微型压电厚膜振动能量收集器具有器 件结构简单，使用寿命长、输出电压高、方便利用整流电路、输出功率高，便 于批量生产等优点，可为无线传感器节点和医疗设备供电，具有较高的研究价 值和广阔的市场应用前景。

以上所述为本发明的最佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 在本发明的精神和范围内所作的修改、以及用于实现本发明所想到的同等技术 手段，均应包含在本发明的保护范围之内。