[发明专利]一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器及其制备方法

说明书

本发明涉及微能量采集技术领域，且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，所述微能量采集器包括上电极、下电极、硅固定基座、压电悬臂梁、质量块；所述压电悬臂梁的一端固定连接在所述硅固定基座的内侧壁上，并向与所述内侧壁相对的另一侧内侧壁延伸；所述压电悬臂梁的另一端固定连接悬空的所述质量块；所述上电极和所述下电极形成于硅固定基座上，且所述压电悬梁臂且所述上电极覆盖在所述压电悬梁臂上。本基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器及其制备方法具备可以使压电厚膜的压电性能大大提升，也可以制备出压电厚膜，而且可制备器件结构更加的多样化和复杂化更高等优点。

技术领域

本发明涉及微能量采集技术领域，具体为一种基于压电厚膜MEMS工艺的微能量采集器及其制备方法。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)制造工艺是下至纳米尺度，上至毫米尺度微结构加工工艺的通称，广义上的MEMS制造工艺，方式十分丰富，几乎涉及了各种现代加工技术，起源于半导体和微电子工艺，以光刻、外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工技术。

近年来随着无线传感网络技术的不断发展，其在各个领域都有长足的发展，但是目前对于无线传感节点等器件的电能供电方式上，还是传统的供能方式，即自身携带电源供电，由于自身携带电电源供电电量有限，采用更换电池的方式具有局限性，因此为了减少电子元件电池更换的频率，人们开始致力于在电子元件周围中吸收能量并转换为电能为其供电，而振动能是环境中广泛存在的一种能量，微能量采集器就是收集环境振动能转换为电能给无线传感节点和电子器件供电。

对现有的技术检索发现，P.Janphuang等人在《Vibrational piezoelectricenergy harvesters based on thinned bulk PZT sheets fabricated at the waferlevel》(Sensors and Actuators A:Physical，1April 2014)中提到PZT作为一种压电材料具有很多优点，目前制作PZT薄膜的方法有很多，例如：溅射、外延生长、溶胶凝胶法及丝网印刷等方法，但是这些方法大都存在一些缺点，譬如制作过程需要高温环境会对材料压电性能造成影响，薄膜的厚度受到所用技术限制，材料的均匀性、可靠性等难以保证，重复过程比较困难等等，采用块状PZT可以很好地解决这些问题，因而PZT减薄的技术极其重要，唐刚等人在《Fabrication and analysis of high-performance piezoelectric MEMSgenerators》(JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING，2012)中将块状PZT与硅衬底键合后减薄制作成悬臂梁结构，其固有频率达到520Hz左右，器件性能得到很大提升，但是由于压电层制作在刚性衬底上的，从而限制了器件的固有频率的降低，这就大大缩减了器件的应用范围。

目前对于微能量采集器的设计有很多种类，其中一类就是基于MEMS工艺的压电式能量采集器，该器件的常用结构是压电悬臂梁自由端附着质量块，压电悬臂梁的结构一般是多层堆叠结构，由支撑层、电极层、压电薄膜或者厚膜层组成，现在普遍的基于压电薄膜的微能量采集器的压电层的制备方式是在各类基底(例如：硅、铜)上覆盖一层压电膜，其通常获取压电薄膜采用的方式是sol－gel旋涂工艺或者丝网印刷，但是压电薄膜本身其压电晶体致密性不好，并且存在大量的气孔，导致压电性能不好，而且由于工艺限制，其微能量采集器设计结构比较简单，并且在一个制备流程中只能制备一种结构的微能量采集器，不能实现同时制备多种结构的微能量采集器。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供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，具备压电厚膜压电性能大大提升，而且可制备器件结构的多样化和复杂化更高等优点，解决了传统工艺制备的压电薄膜压电性能不好，且设计结构简单的问题。