[发明专利]一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器及制备方法

说明书

本发明涉及一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器及制备方法，阶梯式压电能量采集器包括悬臂梁，以及设于悬臂梁两端的固定装置与质量块，其中悬臂梁包括自上而下依次设置的压电层、粘结层以及金属衬底层，并且沿指向质量块的悬臂梁长度方向，压电层与金属衬底层的厚度均呈阶梯状逐渐减小。与现有技术相比，本发明通过激光设备进行阶梯减薄工艺，在传统矩形悬臂梁上释放应力，获得低频、高输出和高能量密度的阶梯式压电能量采集器件，具有制备方法简单、可控性强、兼容性好等优点，所制备的阶梯状悬臂梁具有能量密度高、谐振频率低和输出电能高等优点，具有较为广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于块材压电材料减薄和压电能量采集器技术领域，涉及一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器及制备方法。

背景技术

在微压电能量采集器器件的薄膜化领域，微机电系统(MEMS)器件中压电层的厚度集中在100nm-1mm的尺度范围，主要分为薄膜、厚膜和块材压电陶瓷(PZT)三大类。块材PZT(100μm-1mm)一般通过1000℃以上的高温烧结得到，可获得较好的压电特性，但工艺复杂设备要求高；PZT薄膜(100nm-1um)一般通过分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)和化学气相沉积(CVD)等工艺获取，然而用这种层层堆叠的方式不断生长会引入非常多的材料缺陷和晶向取向不一的问题，引起制备的薄膜具有较差的压电特性；PZT厚膜(1um-100um)一般通过溶胶凝胶法(Sol-gel deposition)、气溶胶沉积(Aerosol deposition)和丝网印刷(Screen printing)等方法制备，但受到工艺限制导致材料的致密性和压电特性相比于块材PZT较差。因此，通过对块材PZT减薄工艺是获得较好压电特性的途径之一。

对比现有技术发现，中国专利ZL107808926B公开了一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器及其制备方法，具体提供了一种通过机械减薄、研磨和抛光等方法对块材PZT进行减薄的工艺方法，可将压电层减薄至65μm，但该方法在微米级小尺度下对设备精度要求较高，并且工艺工序复杂、制备效率较低，Manjuan Huang等人在《A Low-Frequency MEMSPiezoelectric Energy Harvesting System Based on Frequency Up-ConversionMechanism》(Micromachines，2019)中通过MEMS工艺和机械减薄技术制备了一种微压电能量采集器件，PZT层达到66μm的压电厚膜，但该方法步骤复杂，并且很难实现大批量生产。

同时，MEMS直线型悬臂梁在受到外界激励时，其应力多集中在固定端，导致压电材料的能量密度很低，限制了能量采集器件的能源产能效率。此外，由于传统直线型悬臂梁的尺寸有限，其固有频率很高，难以匹配自然环境中所存在的谐振频率，使得其应用受到很大约束。

中国专利ZL 201520923851.3公开了一种阶梯形压电悬臂梁能量采集器，包括基板、质量块和压电晶片，基板两端的厚度不相等且两端之间区域的厚度位于两端的厚度值之间，压电晶片设于基板的上表面，质量块设于基板一端。该能量采集器有利于采集低频能量，并获得较大开路输出电压值。但是该专利仍具有以下缺点：(1)未对压电层做出改变，器件能量输出密度有很大提升范围；(2)该专利只是单纯减薄基板，其具体内容为：“基板第一区域、第二区域和第三区域厚度分别设置为20μm、16μm和12μm，压电层厚度设置为25μm”，这会导致该器件结构的压电层无法有效产生应力。一般器件的力学中性层需处于金属衬底层，这样才能够保证复合悬臂梁结构发生形变时压电层均拥有相同的极化方向，避免产生电荷抵消；(3)未给出加工和制备方法，缺少关键性工艺指标。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于激光面减薄的阶梯式压电能量采集器及制备方法，用于解决现有压电能量采集器与自然环境中的谐振频率之间匹配性能较差，从而导致能源产能效率的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：