[发明专利]一种静电式振动能量收集器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采集环境中振动能量的静电式振动能量收集器及其制作方法，尤其涉及一种基于电荷陷阱型非易失性存储器结构的静电式振动能量收集器及其制作方法。

背景技术

无线传感器网络在智能家居、医疗健康、环境监测、公共安全等领域应用前景广阔。随着无线传感器网络的飞速发展，对微能源的需求也急剧上升。微能源用于为无线传感器网络节点提供电源，目前普遍采用化学能电池或燃料电池等微能源为节点供电。这类电池具有体积大及寿命有限的缺点，需要定期更换或进行燃料补充，因此难以符合微能源低成本、微型化的发展需求。与之相比，振动式能量收集器通过采集环境中的振动能量并转化为电能为节点供电，它是一种经济、环保且理论上拥有无限长寿命的微能源技术。

根据不同的转换原理，振动式微型能量收集器包括电磁式、压电式及静电式等三种类型。与电磁式及压电式相比，静电式能量收集器易与CMOS工艺兼容，可靠性高。但是，静电式能量收集器需要外加电源使收集器极化才能采集振动能量，其设计和结构较为复杂，且能量采集效率较低。为了解决静电式能量收集器需外加电源的问题，目前通常在静电式能量收集器中增加驻极体，通过储存在驻极体中的电荷极化收集器。这种基于驻极体的静电式能量收集器无需外加电源，但是不易与CMOS工艺兼容，体积大并难以微型化，且驻极体的电荷存储和保持性能难以满足高温、高湿等恶劣环境的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电荷陷阱型非易失性存储器结构的静电式振动能量收集器及其制作方法。本发明的静电式振动能量收集器采用储存在电荷陷阱型非易失性存储器结构的电荷极化可动金属电极，无需外加电源就可以采集振动能量；此外，与驻极体相比，所述电荷陷阱型非易失性存储器结构是典型的CMOS结构，完全与CMOS工艺兼容，易于微型化，而且所述电荷陷阱型非易失性存储器结构具有优越的电荷存储和保持性能，工艺简单，可靠性高，能应用于恶劣环境。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明静电式振动能量收集器，包括电荷陷阱型非易失性存储器结构，所述的电荷陷阱型非易失性存储器结构包括从下往上依次设置的衬底、隧穿层、存储层、阻挡层；所述存储层包括交替分布的电荷存储区域和无电荷存储区域；在所述电荷陷阱型非易失性存储器结构上表面通过支撑结构设置盖板；所述电荷陷阱型非易失性存储器结构、支撑结构及盖板构成腔体，在所述腔体内设置有可动金属电极，所述可动金属电极能够在所述电荷陷阱型非易失性存储器结构表面运动，所述腔体内形成与所述电荷存储区域对应的极化区，和与所述无电荷存储区域对应的非极化区；所述的电荷存储区域可极化可动金属电极，存储层用于储存电荷，隧穿层与阻挡层防止储存在存储层的电荷丢失。

所述的衬底为硅衬底，所述隧穿层为二氧化硅，所述存储层为氮化硅，所述阻挡层为氧化铝。

所述可动金属电极为圆柱体，直径在30 μm ～ 300 μm。

在所述阻挡层上沉积氮化钛，并通过光刻工艺形成电极，所述电极呈梳齿状，在电极与衬底间加电，电荷从位于电极正下方的衬底注入并储存到存储层；于是被电极覆盖的存储层部分有电荷注入和存储，为电荷存储区域，无电极覆盖的存储层部分无电荷注入和存储，为无电荷存储区域，且电荷存储区域和无电荷存储区域交替分布。当电荷陷阱型非易失性存储器结构实现电荷存储后便可去除电极，从而提高了非易失性存储器结构的可靠性，并且便于储存在存储层中的电荷极化可动金属电极。 

本发明静电式振动能量收集器的工作原理为：在振动环境作用下可动金属电极在电荷陷阱型非易失性储存器结构表面运动，腔体限制可动金属电极的运动边界。当可动金属电极位于电荷存储区域上方时，可动金属电极处于腔体内的极化区，储存在电荷存储区域的电荷极化可动金属电极，使可动金属电极产生感应电荷，当可动金属电极位于无电荷存储区域上方时，可动金属电极处于腔体内的非极化区，可动金属电极的感应电荷消失，相对应地会从与之相连的外接负载中吸收或释放电荷，形成电流从而产生电能。

具体地，本发明静电式振动能量收集器制作方法包括以下步骤：

（1）选用硅作为衬底，在所述衬底上热生长二氧化硅作为隧穿层；

（2）在所述隧穿层上沉积氮化硅作为存储层，在所述存储层上沉积氧化铝作为阻挡层；

（3）在所述阻挡层上沉积氮化钛并通过光刻工艺形成电极，所述电极呈梳齿状，在电极与衬底之间加电，使存储层中与电极对应位置存储电荷形成电荷存储区域；

（4）过一段时间后停止加电，通过刻蚀去除电极(15)，从而形成电荷陷阱型非易失性存储器结构；