[发明专利]微型压电振动能量收集器及其制造方法

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造方法，特别是涉及一种基于环氧树脂悬臂梁的微型压电式振动能量收集器及其制造方法。

背景技术

微电源通常是无源无线传感器网或者是微执行器的一部分，此类微传感器微执行器使用范围广、需求量大，要求在保证性能的情况下体积小，稳定性强，经常需要工作在极端、恶劣环境或者无法随意更换电池的环境，所以微传感器微执行器搭载微电源模块变得相当必要。

微电源模块，即能量收集器分为压电型、电磁型、可变电容式以及复合型。压电型以其结构简单，性能出众，工作稳定以及近几年来业界对压电材料的广泛深入研究而收到人们的格外关注，在目前的能量收集器件中也占据主导地位。

在压电振动能量收集器结构中，电极-压电材料-电极结构下释放出悬臂梁结构，悬臂梁一端附质量块的结构占据主导地位，此种结构简单易行，但是目前的压电振动能量收集器普遍存在两个显著的问题：

1.悬臂梁的释放。悬臂梁的释放通常使用<110>或者<100>硅片的背面KOH腐蚀。如果选用SOI硅片，预埋的SiO₂作为KOH背硅腐蚀的自停止层，可以较好的控制悬臂梁的厚度，但这样造价会被提高很多；如果选用普通硅片，造价会相应降低，但是悬臂梁的厚度变得极难控制。

2.压电敏感层的选择。目前作为振动能量收集装置的压电材料主要有AlN和PZT(锆钛酸铅)两种。AlN材料在研究初期被广泛使用在能量收集器上的原因，便是其易于制备，与CMOS 工艺兼容性较好。但是AlN材料存在很致命的缺陷：1)薄膜生长必须具有晶体择优取向才可以具有压电效应，这种择优取向可以通过生长压力、N₂和Ar比例、基片与靶材之间距离、生长温度、溅射功率等条件来调节，同时对生长AlN的衬底也有较高的要求，条件稍微偏差一些，AlN的压电性能就会急剧衰减。2)AlN压电系数和介电常数过小，在整个压电材料库中也属于比较低的水平。近年来PZT的研究使PZT的制备以及薄膜性能产生了质的飞跃，科研人员已经开发出了多种不同制备体硅PZT膜的方法，比如溶胶-凝胶、水热溶胶-凝胶、Mocvd法、溅射法、脉冲激光法等。这些方法均可以获得性能尚佳的PZT薄膜，但却有一个共同的缺陷，就是无法将厚度做大。在对PZT材料研究的几年内，即使使用多次成膜技术，厚度最高也只有几个微米，若再高将影响材料性能。在这种情况的制约下，对PZT材料性能进行改进所取得的进展远远不能突破PZT薄膜厚度带来的瓶颈。

对于问题1，由于目前微机电系统(MEMS)加工技术是建立在硅加工技术之上，想要放弃硅的优良性能衬底绝非易事。对于问题2，近年来提出了一种新的思路：宏观尺度的PZT压电陶瓷片的制作技术已经相对成熟，但是厚度最低也有几百微米无法直接应用于微加工技术。于是，使用将大尺寸PZT压电陶瓷片键合到硅衬底然后减薄的技术便应运而生。

这种大尺寸PZT压电陶瓷片通过先键合再减薄的工艺流程解决了PZT无法做厚的问题，同时也带来了新的问题：键合材料选择。主流选择有两种：1.以Au为主的金属键合，此种键合因其互融点低，对其余工艺影响较少而被采用，但是互融之后应力变大。之后有人提出使用提升Au使其同时兼备键合层和弹性层，但是由于其互融之后的极大应力，释放之后的悬臂梁形成了自动弯曲的形状，极大地影响了器件的性能。2.导电胶键合，导电胶粘度较大，通常使用点胶机或者是印刷版配合使用，很难在硅片上制作成膜，而其后续相关未加工步骤也相对不成熟。

导电胶是一种常温下呈流体至浓胶状，干燥或固化后具有一定导电性的胶黏剂。现有导电胶一般以环氧树脂为主，掺有Ag等金属颗粒，通过金属颗粒直接接触或者是隧穿效应实现导电。由于导电胶工艺简单，易于操作，可以提高生产效率，目前广泛用于为电子封装、印刷电路板、导电线路粘接等各种电子领域中。导电胶也可用于硅片与陶瓷材料之间的键合。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是改进现有技术中存在的不足，提出了一种新型MEMS压电式振动能量收集器的结构及制备方法，其结构简单易于实现，成本低，适用范围广，安全可靠，便于批量生产。