静电式振动能量采集器构件以及制造方法

专利名称：静电式振动能量采集器构件以及制造方法
技术领域：
本发明涉及振动能量采集器，特别涉及静电式振动能量采集器的构件以及这些构 件的制造方法。
背景技术：
能量采集(energy harvesting)是指采集环境的能源，如热、辐射或动能并转换成 为电能。随着微机电系统(Microelectromechanical Systems =MEMS)技术和超低能耗的集 成电路设计的进展，电路和器件的尺寸以及驱动它们所需能量都正在显著减少。这些所需 能量量级已进入能量采集器(energy harvester)所能提供能量的范围。因此能量采集器正 在成为取代电池为这些电路和器件(如无线传感器和人体植入式装置)供能的替代方案。从振动能转换到电能是能量采集方式的一种。其中由振动能转换为电能的方法有 三种，分别是静电式、电磁式和压电式。静电能量采集器包含有至少一个可变电容构件。此 可变电容的两个带电极板形成一个电场。静电能量采集器即从环境的振动对此电场做功而 萃取能量。与同属于振动能转换的电磁和压电能量采集器相比，静电能量采集器的显著优 点在于其可以很容易用MEMS微制造技术(如硅微制造技术)制成适用于微系统的具亚微 米级精度的微型产品(如硅基微静电能量采集器)。硅基微静电能量采集器可用类似于集 成电路的制程技术而得以大规模低成本生产并更可与同为硅基的微电子集成电路、器件和 微系统直接整合在一起而实现完全自供能的能独立运行的不含电池的微系统。由于能量采集器的能量输出范围在微瓦到毫瓦之间，输出尽可能多电能是能量采 集器发展和研制的主要目标。然而由于目前微制造技术的限制，静电能量采集器只能被制 成简单的仅含单层可变电容构件而极大地限制其对于振动能的采集和电能的输出。图1A-1C示意性地描述了一个典型的由现有硅微制造技术所制备的硅基静电能 量采集器的机械构件部分的轴测图。这个例子用来理解静电能量采集器构件的组成和用来 与本发明所提供的构件作比较。图IA是此构件的整体轴测图。图1B-1C是此构件分解后的 轴测图。此能量采集器构件由一个可变电容构件层100、由四个分离的支撑块或锚点(104、 106、108和110)所组成的支撑层、以及基体层102所连接组合在一起。在本发明中，可变电 容构件指的是包含至少一个固定电极和一个可动电极并组成至少一个可变电容器。在图1 这个例子中，可变电容构件层100是由两个固定电极(114和116)、一个可动电极112和两 个支撑梁(118和120)所组成。两个固定电极114和116分别固定在支撑块104和106上。两个支撑梁118和 120通过其上位置122和124分别固定在支撑块108和110上。两个支撑梁支承可动电极 112悬浮在基体层102上方。支撑梁可经设计而使得可动电极按所需方向运动。如可使得 可动电极沿X或Y方向运动。在本例中，两个支撑梁可使可动电极在振动下沿Y方向运动。 两个固定电极的梳齿状电极分别和可动电极的两组梳齿状电极互相交替排列而形成两个 梳齿状叉指可变电容器。可动电极112同时也充当移动质量块。此硅基能量采集器机械构件的三层结构可经由加工一块SOKSilicon-On-Insulator 绝缘层上硅晶片)晶片而获得。SOI晶片由两片硅晶片和夹 在它们中间的二氧化硅绝缘层所组成。其中一块硅晶片可作为基体层。二氧化硅绝缘层可 加工而形成包含支撑块或锚点的支撑层。另一块硅晶片可由深反应离子刻蚀法(DRIE)加 工而得到可变电容构件层。此能量采集器机械构件再配以合适的处理电路即可形成一个整 体静电能量采集器而萃取、转化和输出能量。静电能量采集器的能量采集和输出受制于其所含的可变电容器电容变化量大小 和移动质量块的质量大小。这就要求可变电容构件层有尽可能大的厚度。然而可加工而得 的可变电容构件层厚度不仅受限于深反应离子刻蚀技术本身，而且还受限于梳齿状叉指的 结构尺寸(即高宽比)。另外，硅材料本身较低的质量密度(2.33g/cm3)也限制了移动质量 块的质量大小。

发明内容
如上所述，由于现有静电能量采集器的简单机械结构(即仅包含单层可变电容构 件层)而极大地限制了对环境振动能量的萃取、转化和输出，因而限制了其更广泛的应用。 本发明的目的是提供全新的静电能量采集器机械构件以及这些构件的制造方法，从而使得 含有这些构件的静电能量采集器能够从环境振动中采集和转化更多的振动能和或能从含 有多个不同特征振动频率或振动范围的环境振动中采集振动能，从而使得含有本发明的机 械构件的静电能量采集器能实现更大范围的应用。本发明通过以下技术方案加以实现1.在可变电容构件层中的可动电极中加入比可动电极基体材料质量密度更高的 材料和或在可动电极的一个或两个面上连接有质量块。2.连接两层或更多层的可变电容构件层而形成多层可变电容构件层。3.连接至少两层可变电容构件层和至少一层移动质量层而形成多层可变电容构 件层。4.形成两层或更多层的独立的互不连接的可变电容构件层。对于本发明中的硅基静电能量采集器的机械构件，本发明也提供了一种制造方 法。这种制造方法首先把所要制造的机械构件在设计时沿其纵向把它分成一系列独立的结 构层，然后制造和连接这些独立结构层而形成所要的机械构件。针对含有两个或两个以上 互不连接的独立的特征硅结构的结构层，可使用至少一种牺牲材料来暂时连接上述的独立 特征结构从而形成一个可制造的一体结构层。如果需要，还可在所需的独立结构层的制造 过程中，加入所需的比硅质量密度高的材料。最后，根据需要，牺牲材料可在后续制造步骤 中或部分或全部去除。本发明优点1.本发明提供了能够采集和转化更多的振动能以及输出更多的电能的静电能量 采集器机械构件。2.本发明提供了具有更大的可变电容容量的静电能量采集器机械构件。3.本发明提供了具有更大的移动质量的静电能量采集器机械构件。4.本发明提供了具有更小的寄生电容(parasitic capacitance)的静电能量采 集器机械构件。
5.本发明提供了能从两个或两个以上不同振动频率或振动范围采集环境振动能 的静电能量采集器机械构件。6.本发明提供了一种制造多层硅基静电能量采集器机械构件的方法。此方法克服 了现有硅微制造技术的限制，可制造具有复杂几何形状的三维器件或结构。此方法包含简 单和重复的工艺步骤，适合于大规模低成本生产本发明所提供的硅基静电能量采集器机械 构件。7.本发明提供了一种制造包含有硅的两种或两种以上材料的结构层的方法，如结 构层可包含牺牲材料和比硅质量密度高的材料。8.本发明提供了一种制造包含两个或两个以上互不连接的硅的特征结构的结构 层的方法。9.本发明提供了 一种可制造具有更大厚度的包含有支撑块的支撑层，此支撑层用 于支承一层或更多层的可变电容构件层。在阅读和了解了本专利所揭示的设计、方法以及例子后，对于本领域的专业人士 而言，本发明更多的其它优点将是很显然的。


图1A-1C示意性地描述了一个由现有硅微制造技术所制备的硅基静电能量采集 器的机械构件部分的轴测图。图IA是此机械构件的整体轴测图。图1B-1C是此机械构件 分解后的轴测图。图2A-2B示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第一个实 施例的轴测图。图2A是此构件的整体轴测图。图2B是此构件分解后的轴测图。图3A-3B示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第二个实 施例的轴测图。图3A是此构件的整体轴测图。图3B是此构件分解后的轴测图。图4示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第四个实施例 的轴测图。图5示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第五个实施例 的轴测图。图6A-6B示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第六个实 施例的轴测图。图6A是此构件的整体轴测图。图6B是此构件部分分解后的轴测图。图7示意性地描述了一个从第六个实施例中的三层构件扩展而成的五层构件。图8A-8B示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第七个实 施例的轴测图。图8A是此构件的第一种轴测图。图8B是此构件的第二种轴测图。图9A-9B示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第八个实 施例的轴测图。图9A是此构件的整体轴测图。图9B是此构件分解后的轴测图。图10A-10I示意性地描述了使用Assemblayer技术中的一种工艺来制造一个多层 复杂硅结构的工艺流程的各个制造阶段的侧视图。图11示意性地描述了一块SOI晶片中的一块硅晶片经深反应离子刻蚀后形成一 个支撑层的轴测图。此SOI晶片中的另一块硅晶片和二氧化硅绝缘层(中间层)组成一个
基体层。
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图12示意性地描述了一块硅晶片经深反应离子刻蚀后形成的含有可变电容构件 的硅结构层的轴测图。图13示意性地描述了一块硅晶片经深反应离子刻蚀后形成的含有移动质量结构 的硅结构层轴测图。图14示意性地描述了一个含有两种材料的硅结构层经两面整平后的轴测图。此 硅结构层含有可变电容构件。
具体实施例方式以下结合附图和根据本发明的技术方案给出的实施例对本发明作进一步的详细 说明。图2A-2B示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第一个实 施例的轴测图。图2A是此构件的整体轴测图。图2B是此构件分解后的轴测图。这个构件 的组件组成了一个可变电容构件层。它是静电能量采集器的一部分。它包含两个固定电 极(130和132)和一个可动电极(134)。这两个固定电极和可动电极组成两个梳齿状叉指 可变电容器。可动电极134由包含梳齿状电极的框架结构136和一个包含在此框架内的比 框架材料质量密度更高的高质量密度材料块138所组成。因可动电极同时也充当移动质量 块，在这个例子中，由于可动电极中含有高质量密度的材料块，相对于不含高质量密度材料 块的同样的构件，可使得含有本实施例构件的静电能量采集器具有更大的移动质量，因而 能采集和输出更多的能量。在这个实施例中，两个固定电极和可动电极的框架材料可以是 硅，高质量密度材料块可以是金或银。实际的可动电极上还包含有至少一个连接于可动电极并支承此可动电极的支撑 梁，为更清楚、更直接显示和说明本实施例的特征，其结构不在图2中显示。对于本领域的 专业人士而言，可以很容易理解，支撑梁按需可设计成各种形状和尺寸。支撑梁的结构例子 也可参考图1和图9。因此，在本实施例和以下的实施例中，如果在可动电极上没有显示支 撑梁结构，不应该把它理解成可动电极上没有支撑梁结构。这样的省略处理只是为了更好 地说明和理解本发明的特点和特征。这个实施例也可以有很多变种。例如可包含仅一个或两个以上固定电极与一个可 动电极组成仅一个或两个以上可变电容器。所形成的一个或多个可变电容器也可以是除了 梳齿状叉指形状以外的电容器。固定电极和可动电极的框架材料也可以是除硅以外的其它 材料如金属或合金，高质量密度材料也可以是除金或银以外的其它金属或合金如铜。高质 量密度材料也可由多种材料所组成。这个实施例的特征在于可动电极包含有框架结构和包 含在框架内的比框架材料质量密度更高的高质量密度材料。图3A-3B示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第二个实 施例的轴测图。图3A是此构件的整体轴测图。图3B是此构件分解后的轴测图。这个构件 是由可变电容构件层141和一个质量块142所组成。它是静电能量采集器的一部分。可变 电容构件层141的可动电极140的一个面上连接有质量块142。此质量块由一个框架结构 144和一个包含在此框架内的比框架材料质量密度更高的高质量密度材料块146所组成。 在这个实施例中，两个固定电极(148和150)、可动电极140和框架144的材料可以是硅，高 质量密度材料块146可以是金或银。
这个实施例也可以有很多变种。例如可包含仅一个或两个以上固定电极与一个可 动电极组成仅一个或两个以上可变电容。所形成的一个或多个可变电容可以是除了梳齿状 叉指形状以外的电容。在可动电极的一个或两个面上连接有一个或多个质量块。质量块也 可以完全只有一种材料所组成或有两种以上材料所组成。固定电极、可动电极和框架的材 料也可以是除硅以外的其它材料如金属或合金；高质量密度材料也可以是除金或银以外的 其它金属或合金如铜。这个实施例的特征在于在可动电极的一个或两个面上连接有质量 块。本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第三个实施例是以上第一个和第二 个实施例的组合。这个第三个实施例的特征在于不仅在可动电极中包含有框架结构和包含 在框架内的比框架材料质量密度更高的高质量密度材料，而且在可动电极的一个或两个面 上还连接有质量块。图4示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第四个实施例 的轴测图。此构件由三个相同材料和尺寸的可变电容构件层(160、162和164)连接在一起 而形成一个三层可变电容构件。它是静电能量采集器的一部分。此构件包含两个三层固定 电极(166和168)和一个三层可动电极(170)。这两个三层固定电极和三层可动电极组成 两个三层梳齿状叉指可变电容器。在这个例子中，相对于单层的相同的可变电容构件，此三 层可变电容构件具有三倍大的电容量和移动质量。因此相对于只包含一层可变电容构件的 静电能量采集器，此三层可变电容构件可使得含有此构件的静电能量采集器能采集和输出 更多的能量。在这个实施例中的构件的构成材料可以是硅。这个实施例也可以有很多变种。例如可由二个或三个以上单层可变电容构件连接 而成多层可变电容构件。多层可变电容构件所包含的单层可变电容构件可以有不同的尺寸 (如不同的层厚)和形状。多层可变电容构件可包含仅一个或两个以上多层固定电极与一 个多层可动电极组成仅一个或两个以上多层可变电容。所形成的一个或多个多层可变电容 可以是除了梳齿状叉指形状以外的电容。多层可变电容构件的构成材料也可以是除硅以外 的其它材料如金属或合金。这个实施例的特征在于由二个或二个以上单层可变电容构件层 而连接成一个多层可变电容构件。图5示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第五个实施例 的轴测图。此构件由三个相同的如图2所示的单层可变电容构件层(180、182和184)连接 在一起而形成一个三层可变电容构件。此多层构件是静电能量采集器的一部分。 这个实施例也可以有很多变种。例如可由二个或三个以上单层可变电容构件层连 接而成多层可变电容构件。多层可变电容构件所包含的单层可变电容构件可以有不同的 尺寸(如不同的层厚)。多层可变电容构件也可仅包含一个如图2所示的单层可变电容构 件，其余的可变电容构件可以是如图4所示的多层可变电容构件中包含的单层可变电容构 件。多层可变电容构件可包含仅一个或两个以上多层固定电极与一个多层可动电极组成仅 一个或两个以上多层可变电容。所形成的一个或多个多层可变电容可以是除了梳齿状叉指 形状以外的电容。这个实施例的特征在于由二个或二个以上单层可变电容构件而连接成一 个多层可变电容构件，并且其中至少有一个单层可变电容构件中的可动电极包含有框架结 构和包含在框架内的比框架材料质量密度更高的高质量密度材料块。
图6A-6B示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第六个实施例的轴测图。图6A是此构件的整体轴测图。图6B是此构件部分分解后的轴测图。这个 构件是第二个实施例中的构件(图3)的扩展。增加的组件包括一个与可变电容构件层141 相同材料和尺寸的可变电容构件层190和两个连接块192和194。可变电容构件层190的 可动电极198连接在质量块142上。可变电容构件层190的两个固定电极200和202分别 连接在两个连接块192和194上。连接块和质量块所组成的层196可称为移动质量层。这 个实施例中的构件是静电能量采集器的一部分。两个连接块192和194的材料可以是硅。这个实施例也可以有很多变种。例如其包含的可变电容构件可以有不同的尺寸 (如不同的层厚)和形状。其包含的质量块也可以完全只有一种材料所组成或有两种以上 材料所组成。其包含的一个或两个可动电极中也可包含有框架结构和包含在框架内的比框 架材料质量密度更高的高质量密度材料块。此构件还可进一步扩展而包含更多的移动质量 层和可变电容构件层。图7示意性地描述了一个从此三层构件扩展而成的五层构件。此五 层构件包含三层相同的可变电容构件层(141、190和206)和两层相同的移动质量层(196 和204)。虽然在此五层构件中，可变电容构件层和移动质量层交替排列。但这种排列并非 唯一。也可有其它排列方式。这个实施例的特征在于在包含有两个或两个以上可变电容构 件层的构件中，在至少有两个相邻的可动电极之间连接有至少一个移动质量块。图8A-8B示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第七个实 施例的轴测图。图8A是此构件的第一种轴测图。图8B是此构件的第二种轴测图。这个构 件是由两个独立的互不连接的可变电容构件层210和212所组成。此构件是静电能量采集 器的一部分。两个可变电容构件层的空间位置关系是，210位于212之上并且它们的梳齿状 叉指电容器的方向互相垂直。可变电容构件层210的两个固定电极214和216由两个支撑 块224和226支承于一个基体层之上。210的可动电极215由两个支撑梁通过支承它们的 支撑块而被支承于同一个基体层之上。同样，可变电容构件层212的两个固定电极218和 220由两个支撑块228和230支承于同一个基体层之上。212的可动电极219也由两个支 撑梁通过支承它们的支撑块而被支承于同一个基体层之上。基体层、两个可动电极的支撑 梁以及支承支撑梁的支撑块未在图中显示，可参考图1中的例子。此构件的组成材料可以 是硅。在这个实施例中，两个可变电容构件互不连接，因而可设计它们响应两个不同的 振动频率或振动频率范围。自然环境的振动频率多种多样，这样，包含本实施例中构件的静 电能量采集器可从两个不同的振动频率或振动频率范围采集振动能，从而使静电能量采集 器有更大的适用性。这个实施例也可以有很多变种。例如此构件可包含更多的独立的互不连接的可变 电容构件层。可变电容构件之间的空间位置可不必局限于如图8中显示的例子。每个可变 电容构件可包含仅一个或两个以上固定电极与一个可动电极组成仅一个或两个以上可变 电容。所形成的一个或多个可变电容可以是除了梳齿状叉指形状以外的电容。在可动电极 中也可包含有框架结构和包含在框架内的比框架材料质量密度更高的高质量密度材料块 和或在可动电极的一个或两个面上连接有一个或多个质量块。这个实施例的特征在于静电 能量采集器的构件中包含有至少两个独立的互不连接的可变电容构件层并且在所有的可 变电容构件层中，至少有两个构件层不在同一个水平面上。图9A-9B示意性地描述了本发明所提供的静电能量采集器机械构件的第八个实
9施例的轴测图。图9A是此构件的整体轴测图。图9B是此构件分解后的轴测图。这个构件 是第六个实施例中的构件(图6)的扩展，即除了原有的三层(141、190和196)构件外，增 加的组件包括(1)在可变电容构件层190中的可动电极198上连接有两个支撑梁256和 258 ； (2)在可变电容构件层141中的可动电极140上连接有两个支撑梁260和262 ； (3)在 移动质量层196上的两个增加的连接块252和254，其中连接块252连接支撑梁258和262， 连接块254连接支撑梁256和260 ； (4)基体层240 ；以及(5)固定在基体层240上的由四 个分离的支撑块或锚点(242、244、246和248)所组成的支撑层250，其中支撑层250支承连 接于其上的三层构件在基体层240的上方。支撑层250与紧邻其上的层141的连接方式可 参见对图1中的构件的描述。这个实施例中的构件是静电能量采集器的一部分。图1中的构件仅包含单层可变电容构件层。第八个实施例中的构件(图9)不但 包含两层可变电容构件层，而且还包含有额外的移动质量块。如果图1中的单层可变电容 构件层与第八个实施例中的两个可变电容构件层有相同的材料和尺寸，含有第八个实施例 中构件的静电能量采集器能采集和输出更多的能量。现有硅微制造技术只能制造如图1中的构件所示的简单的单层可变电容构件层， 并且使用现有硅微制造技术对要在构件中加入比硅质量密度高的材料块而言，是及其困难 或几乎不可能。相比于图1中的构件，图9中所示的构件不仅有更多层和更复杂的结构，而 且在硅层中还包含有比硅质量密度高的材料块如金或银。因此需要有新的硅微制造技术来 制造包含有本发明所提供的构件(如图9中所示的构件)的硅基静电能量采集器。本发明 不但提供了能采集和输出更多能量的机械构件，而且还提供了能制造这些硅基构件的制造 方法。对于如图9中所示的多层构件，多层微制造技术是一种最合适的制造多层结构的 技术。这种制造技术是首先把要制造的器件或结构在设计时沿其纵向把它分成一系列独立 的结构层，然后制造和连接这些独立结构层而形成所要的器件或结构。如对于如图9A中所 示的构件可按其纵向(即其高度方向)分成五层(见图9B)，即两层可变电容构件层(141 和190)、一层移动质量层196，一层基体层240，以及一层支撑层250。除基体层外，其余四 层结构均含有互不连接的独立特征结构。如在可变电容构件层141中，两个固定电极和一 个可动电极相互分离而互不连接。很显然，包含有两个或更多的分离结构的层是无法制得 的。这正是现有多层微制造技术的一个极大的缺陷而使其无法制得复杂三维器件或结构。本发明所提供的制造方法称为Assemblayer。Assemblayer也是一种多层微制造 技术，即通过制造和连接多个独立结构层而形成所要的器件或结构。但Assemblayer技术 独创性地使用牺牲材料来暂时连接分离的特征结构从而形成一个可制造的一体结构层。牺 牲材料的含义是它本身不是所要制造的三维器件或结构的组成材料，它可在制造过程中的 合适时间被去除。正是由于使用了牺牲材料，才使得制造含有互不连接的独立特征结构的 层成为可能，从而使得制造复杂三维器件或结构成为可能。使用Assemblayer技术，如果需 要，还可在所需的独立结构层的制造过程中，加入所需的高质量密度的材料(如比硅质量 密度高的材料)。图10A-10I示意性地描述了使用Assemblayer技术中的一种工艺来制造一个多层 复杂硅结构的工艺流程的各个制造阶段的侧视图。图10A-10F示意性地描述了制造一个独立结构层的各个制造阶段的侧视图。形成后的独立结构层可包含含硅的多种材料，也可包含互不连接的独立的硅特征结构。图IOA显示一个有所需厚度的硅晶片层270。在图IOB中，使用标准的光刻工艺， 在硅晶片270的表面上形成一层有所需图形的光刻胶层272。此光刻胶适用于深反应离子 刻蚀工艺(DRIE)。把含有光刻胶层的硅晶片层放入深反应离子刻蚀设备进行刻蚀。未被光刻胶遮蔽 的硅部分被深反应离子刻蚀而在硅晶片层270中形成所需图形。图IOC显示经刻蚀后和除 去光刻胶层后所形成的硅晶片层274，其包含有刻蚀形成的孔或开口部分。图IOD显示在硅晶片层274的孔或开口中填入了一种牺牲材料276而形成了一个 包含有两种材料的层278。虽然在图IOD中，填入的材料只有一种牺牲材料，但是根据需要 也可填入除牺牲材料以外的材料，如高质量密度的材料。在某些情况下，牺牲材料和高质量 密度的材料可以是同一种材料。包含硅和牺牲材料的结构层278的上下两个表面被整平而使两种材料在这两个 表面上都暴露出来而形成所需的图形，两个表面都达到所需的表面粗糙度和平整度，并且 整平后的层厚度达到所需的要求。整平可使用如研磨和抛光工艺而达成。图IOE显示了结 构层278经上表面整平后的结果。图IOF显示了在上表面整平后，再经下表面整平后的结 果。经上下表面整平后所形成的层280包含硅材料282和牺牲材料284。这样经整平后所 形成的独立的互不连接的硅特征结构可经由牺牲材料而连接在一起。牺牲材料起了类似于 粘结剂的作用。正是由于使用了牺牲材料，才使得制造含有互不连接的独立的硅特征结构 的层成为可能。图IOG显示使用图10A-10F所示的制造独立结构层的工艺所制造的四个独立结构 层280、286、288和290。每个结构层都包含有硅和同一种牺牲材料。图IOH显示这四个结构层和一个基体层292被使用合适的连接技术而连接在一起 而形成一个所期望的多层结构。然后除去此多层结构中的牺牲材料(如使用化学溶解)而 形成一个所需的固定在基体层292上的多层结构298。注意在多层结构298中仍然留有部 分牺牲材料296。这是因为当独立结构层被连接在一起后，这部分牺牲材料被其上下左右 的硅结构所封闭，因而当其它部分的牺牲材料被除去(如化学溶解)，它可以还留存在多层 结构298中。这个例子说明，使用Assemblayer技术可以达到在硅结构中包含其它材料的 目的。在这个例子中，牺牲材料起着双重作用，即起连接独立的互不连接的硅特征结构的作 用和起作为所需多层结构的一部分的作用。如果多层结构所需包含的其它材料不是牺牲材 料，那么可在相关的独立结构层制造中填入所需的材料。本发明所提供的静电能量采集器构件，不仅含有多层复杂的结构，而且在结构层 中还可包含有高质量密度的材料。因此从以上对图10A-10I所示的Assemblayer制造工艺 的讨论中可清楚看出，Assemblayer技术是适合制造本发明所提供的硅基静电能量采集器 构件的一种独一无二的制造工艺。另外，此技术包含简单和重复的工艺步骤，适合于大规模 低成本生产本发明所提供的硅基静电能量采集器机械构件。在本发明中使用Assemblayer技术还具有其它优点。例如，如前所述，采用三层结 构的SOI晶片是目前主要的制造包含简单单层可变电容构件层的静电能量采集器的制造 方法。其中间层(二氧化硅绝缘层)被加工为包含支撑块或锚点的支撑层。然而，其厚度 很小，最高不超过几个微米。因此可变电容构件层和基体层之间的间隔很小，从而产生寄生电容。使用Assemblayer技术则不存在这个问题，因为其不受层数限制而不必使用SOI晶 片。如可单独使用一片有合适厚度的硅晶片来制造所需厚度的支撑层。或者也可使用SOI 晶片，但把二氧化硅绝缘层(中间层)和一块硅晶片作为基体层，加工另一块硅晶片而获得 支撑层。因SOI晶片的硅晶片层的厚度可以任意选择(如从几十微米到几百微米)，这样可 以减小或消除寄生电容，或者如果需要，可以得到一个所需的寄生电容。为了使本领域的专业人士更好的理解和实践Assemblayer技术来制造本发明所 提供的硅基静电能量采集器的机械构件，现以具体描述制造图9中所示的第八个实施例的 硅基构件来加以说明。这个制造例子只是用来说明Assemblayer技术的使用，而不应把它 理解成对Assemblayer技术使用的限制。如前所述，第八个实施例中所示的构件可按其纵向分成五层(见图9B)。基体层 240的材料可选用玻璃或覆盖有一层二氧化硅的硅晶片，其余四层可分别从四块硅晶片而 制得。或者也可如前所述，加工一块SOI晶片而成为包含有基体层240和支撑层250的结 构，如把二氧化硅绝缘层(中间层)和一块硅晶片作为基体层，加工另一块硅晶片而获得支 撑层250。在这个制造例子中，我们使用加工一块SOI晶片而获得基体层240和支撑层250。 这个方法更为简单，因为只需用深反应离子刻蚀法刻蚀SOI晶片中的一块硅晶片即可同时 获得连接在一起的基体层240和支撑层250。图11示意性地描述了一块SOI晶片中的一块硅晶片经深反应离子刻蚀后形成支 撑层250的轴测图。支撑层250由四个分离的支撑块或锚点(242、244、246和248)所组成。 此SOI晶片中的另一块硅晶片和二氧化硅绝缘层(中间层)组成基体层240。虽然此SOI 晶片含有三个物理层，经加工后的晶片也被看作是一个独立的硅结构层。Assemblayer技术因此只需用来制造另外三层独立结构，即两层可变电容构件层 (141和190)和一层移动质量层196。为提高静电能量采集器的导电性，这三层独立结构 可从具有高导电率的硅晶片制得(静电能量采集器的导电性当然也可通过其它途经而提
I^J ) O根据图10A-10F所示的制造独立结构层的技术工艺流程，首先由标准的深反应离 子刻蚀法刻蚀三块有合适厚度的硅晶片而制得三个含有孔或开口并形成有所需图形的硅 结构层(即从工艺流程图IOA至10C)。这三块硅结构层最终将形成可变电容构件层141和 190，以及移动质量层196。图12示意性地描述了一块硅晶片经深反应离子刻蚀后形成的含有所需图形的硅 结构层300的轴测图。此结构层300含有可变电容构件结构。其最终将形成可变电容构件 层141或190(141和190是两个相同的可变电容构件层)。图13示意性地描述了一块硅晶片经深反应离子刻蚀后形成的含有所需图形的硅 结构层310的轴测图。此结构层310含有移动质量结构，即在结构层中间，有一框形结构 312，高质量密度材料将填入此框内区域314。其最终将形成移动质量结构层196。以上所制得的三个硅结构层的孔或开口内需填入所需的材料(工艺流程图10D)。 对于两个含有可变电容构件结构的硅结构层，只需填入牺牲材料。对于含有移动质量结构 的硅结构层则需填入牺牲材料和高质量密度材料两种材料。高质量密度材料在本例中指的 是其质量密度大于硅。如果牺牲材料和高质量密度材料为同一种材料，只需填入一种材料。 例如很多金属(单金属或合金)可同时作为牺牲材料和高质量密度材料，如铜，镍和银。
牺牲材料可以使用金属或非金属材料。高质量密度材料则是使用大于硅质量密度 的金属。对于不同的填入材料可选择不同的填入方法。例如，填入的铜，镍和银可通过选用 合适的电镀液而电沉积进经预处理后适合电镀的硅结构层的孔或开口内。此预处理包括在 硅表面上使用真空沉积如溅射沉积一层或几层导电金属薄层作为硅基体上电镀的导电基 体层(如钛/铜组合)。当然也可电沉积进两种金属，如铜作为牺牲材料，银作为高质量密 度材料。例如，这可先用绝缘材料先遮蔽不需第二种材料的部分，然后镀入第一种材料。在 除去绝缘材料后，再镀入第二种材料。也可在硅结构层中先填入金属粉末，或者微米或纳米级的金属颗粒，然后在高温 烧结后在硅层中形成整体金属。对于金或银微细颗粒，可掺杂适当的粘结料(binder)如淀 粉，再加水调成适当浓度的浆糊状态物。在填入硅层和经干燥后，经高温烧结既除去粘结 料，又把金或银颗粒烧结成一体。市场上也有这种金或银的黏土团(paste或clay)供应。 如由Aida化学工业有限公司(Aida chemical industries Co.，Ltd.)生产的商品名为ACS 650 Paste的银黏土和由三菱材料公司(Mitsubishi Materials Corporation)生产的商品 名为PMC GoldClay的金黏土。ACS 650 Paste的银黏土可在如650°C烧结成金属银。PMC Gold Clay的金黏土可在如700°C烧结成金属金。这两种黏土的具体使用方法可参考它们 的产品说明书。经烧结后，金或银和硅有非常好的结合力。非金属材料也可用作牺牲材料，如使用环氧树脂。例如可使用由环氧树脂技术公 司(EpoxyTechnology，Inc.)生产的商品名为Epo-Tek 301环氧树脂。这个产品包括两个 液体成份。经混合后填入硅结构层，然后经固化后成型。这个产品的具体使用方法可参考 它的产品说明书。在固化成型后，这个环氧树脂和硅有非常好的结合力。对于图12所示的硅结构层300，需要填入牺牲材料。如可填入铜、银或环氧树脂。对于图13所示的硅结构层310，需要填入牺牲材料和高质量密度材料。如可填入 铜或银。铜或银既作为牺牲材料也作为高质量密度材料。也可在框形结构312内区域314 填入金或银作为高质量密度材料，然后在其余区域再填入铜或环氧树脂作为牺牲材料。由以上步骤制得的包含有多种材料的三个硅结构层的上下两个表面需要被整平 而使所用材料在这两个表面上都暴露出来而形成所需的图形，上下两个表面都达到所需的 表面粗糙度和平整度，并且整平后的层厚度达到所需的要求(即从工艺流程图10E至10F)。 硅结构层的整平可使用磨削(grinding)、研磨(lapping)、机械抛光(polishing)、化学机 械抛光(CMP chemical mechanical polishing)、或者以上方法的适当组合而达成。使用磨削或研磨与化学机械抛光的组合是一种适合本发明的整平工艺。磨削或研 磨可以快速从硅结构层的两面除去材料。而化学机械抛光可以作为最后的整平步骤而达到 所需的表面粗糙度和平整度。图14示意性地描述了一个含有两种材料的硅结构层经两面整平后的轴测图。此 硅结构层330含有硅可变电容构件332和牺牲材料334。可变电容构件332代表了可变电 容构件层141或190(141和190是两个相同的可变电容构件层)。从此图可以清楚看出，牺 牲材料334把可变电容构件332的可动电极和两个固定电极连接在一起。牺牲材料334起 了类似于粘结剂的作用。经以上整平后的三个硅结构层和制得的支撑层250和基体层240 (图11)需要连 接在一起而形成一个五层结构(即工艺流程图10H)。硅材料的连接可使用硅-硅直接键合法。因本发明的硅结构层中至少有一个含有除硅以外的其它材料，为防止由于不同材料之 间热膨胀系数不同而可能产生的热应力，因此选用室温或低温(< 500°c)硅-硅直接键合 如等离子体活化的直接键合技术是首选的硅_硅连接方法。硅_硅直接键合包括等离子体 活化的直接键合已经成为成熟的硅器件的生产工艺并已有专门的键合设备包括层与层之 间的对准装置和键合装置。如果需要，为防止硅结构层中的其它材料对硅-硅直接键合的 干扰，也可在硅结构层整平后使用化学刻蚀法来轻微除去硅结构层中的其它材料，从而使 得其它材料的表面都低于硅材料的表面。另外，对于本例中硅结构层的层与层之间方位的 对准可利用在每层上的光学对准标记来达成。在所有硅结构层被连接在一起后牺牲材料需要被除去，从而释放埋在牺牲材料中 的由图9A所示的静电能量采集器的机械构件(即工艺流程图101)。采用化学溶解法是首 选的除去牺牲材料的方法。对于不同的牺牲材料可选择不同的化学蚀刻液。如果牺牲材料是铜，可使用含氨的碱性的铜的刻蚀液，如商品名为Enstrip C-38 的铜刻蚀液。这种铜的刻蚀液对硅也是安全的。如果牺牲材料是银，可使用银的刻蚀液，如商品名为Silver Etchant TFS的银的 刻蚀液。或者也可使用用于清洗硅晶片的食人鱼洗液(piranha solution)来溶解银。食 人鱼洗液含有浓硫酸和30%的过氧化氢，其体积比一般为4比1。如果牺牲材料是环氧树脂，可使用环氧树脂去除剂。或者也可使用食人鱼洗液来 溶解环氧树脂。食人鱼洗液能快速和完全去除环氧树脂。当牺牲材料被去除后，我们便可得到如图9A所示的静电能量采集器的构件。需要指出的是本发明所讨论的实施例只是为了理解本发明所揭露的特点和特征 以及这些特点和特征的组合。对于本领域的专业人士而言，在不偏离本发明的实质精神 情况下，更多新的实施例以及对以上所讨论的实施例的某些方面的替换和更改将是很显然 的。因此本发明不应该被限制在这些实施例中，而因被限定在本发明所要求的权利范围内。
1权利要求
一种至少是静电式能量采集器一部分的构件，包含有至少一个可变电容构件层，其中，每个可变电容构件层包含有至少一个固定电极、一个可动电极、至少一个连接于可动电极并支承此可动电极的支撑梁，其中，所述的至少一个固定电极和可动电极形成至少一个可变电容器；并且至少有一个可动电极包含有至少一个孔或开口，其中，至少在一个孔或开口中，含有至少一种比可动电极基体材料质量密度更高的材料。
2.—种至少是静电式能量采集器一部分的构件，包含有至少两个可变电容构件层，其 中，每个可变电容构件层包含有至少一个固定电极、一个可动电极、至少一个连接于可动电 极并支承此可动电极的支撑梁，其中，所述的至少一个固定电极和可动电极形成至少一个 可变电容器；并且至少有两个可变电容构件层位于不同的水平面上。
3.如权利要求2所述的构件，其特征在于，至少有两个可变电容构件层连接在一起而 形成一个所需的多层可变电容构件层，其中，所述的多层可变电容构件层包含有至少一个 多层固定电极、一个多层可动电极、至少一个连接于多层可动电极并支承此多层可动电极 的多层支撑梁，其中，所述的至少一个多层固定电极和多层可动电极形成至少一个多层可 变电容器。
4.如权利要求2所述的构件，其特征在于，至少包含有两个独立的相互分离的可变电 容构件层。
5.如权利要求2所述的构件，进一步包含有至少一个移动质量层，其中，每个移动质量 层包含有至少一个质量块和多个互不相连的连接块，其中，每个质量块与所有的连接块互 不相连；所述的至少两个可变电容构件层和至少一个移动质量层连接在一起而形成一个所 需的多层可变电容构件层，其中，所述的多层可变电容构件层包含有至少一个多层固定电 极、一个多层可动电极、至少一个连接于多层可动电极并支承此多层可动电极的多层支撑 梁，其中，所述的至少一个多层固定电极和多层可动电极形成至少一个多层可变电容器；在 上述的连接操作后，所有的连接块被包含在所述的至少一个多层固定电极和至少一个多层 支撑梁之中，其中，每个多层固定电极和每个多层支撑梁均包含有至少一个连接块；在上述 的连接操作后，所有的质量块被包含于所述的多层可动电极之中；并且在上述的连接操作 后，至少有两个可变电容构件层之间连接有至少一个移动质量层。
6.如权利要求5所述的构件，其特征在于，至少有一个质量块包含有至少一个孔或开 口，其中，至少在一个孔或开口中，含有至少一种比质量块基体材料质量密度更高的材料。
7.如权利要求1或权利要求6所述的构件，其特征在于，所述的比可动电极基体材料或 比质量块基体材料的质量密度更高的材料是金或银，其中，所述的金或银材料由金或银的 金属颗粒烧结而成。
8.如权利要求1或权利要求2所述的构件，其特征在于，所述的可变电容器是梳齿状叉 指可变电容器。
9.如权利要求1 8中任意一项所述的构件，进一步包含有一个基体层和固定在所述 基体层上的多个分离的支撑块或锚点，其中，通过把所述的单层或多层可变电容构件层中 的单层或多层固定电极和单层或多层支撑梁分别连接在所需的支撑块或锚点上，从而使得 所述的单层或多层可变电容构件层被支撑于所述的基体层之上，其中，单层或多层可动电 极被单层或多层支撑梁支承而悬浮于所述的基体层之上。
10.如权利要求1 9中任意一项所述的构件，其特征在于，其组成材料中包含硅。
11.如权利要求10所述的构件，其特征在于，所述构件的制造方法包括如下步骤(1)制造两个或两个以上互不连接的独立的硅基结构层，其中，至少有一个硅基结构层 包含至少二个互不接触的硅结构并且这些互不接触的硅结构籍由至少一种牺牲材料所结 合在一起而形成一个一体的结构层；并且每个硅基结构层包含至少一种材料，其中，制造包 含有至少两种材料的硅基结构层包括如下步骤a)提供一个有所需厚度的硅晶片；b)使用深反应离子刻蚀技术从上述硅晶片层的一面刻蚀该晶片层而形成至少一个孔 或开口，其中，所述的至少一个孔或开口形成一种所需的图形；c)至少在上述形成的一个孔或开口中填入至少一种与硅不同的材料而形成一个包含 至少两种材料的硅基结构层；d)整平上述所形成的包含至少两种材料的硅基结构层而使得此硅基结构层的两面都 形成所需的图形、使得此硅基结构层的两面都达到所需的表面粗糙度和表面平整度、使得 此硅基结构层达到所需的厚度；(2)按所需的层序和层与层之间的方位连接至少所制造的上述硅基结构层而形成一个 多层构件，其中，所述的层与层之间的连接至少包含硅-硅直接键合技术；并且，(3)去除至少一种填入材料的部分或全部。
全文摘要
本发明所公开的至少是静电式能量采集器一部分的构件能使含有此构件的能量采集器采集和转化更多的环境振动能和或能从多个不同特征振动频率或振动范围采集环境振动能而输出电能。在某个或某些实施例中，能量采集器构件中的可动电极中包含有比其基体材料质量密度更高的材料和或其一个或两个面上连接有质量块。在某个或某些实施例中，能量采集器构件中包含由多个单层可变电容构件层连接而形成的多层可变电容构件层。在某个或某些实施例中，在能量采集器构件所包含的多层可变电容构件层中，至少在两个相邻的可动电极之间连接有至少一个质量块。还是在某个或某些实施例中，能量采集器构件中包含有至少两个独立的互不连接的可变电容构件层。对于本发明中的硅基能量采集器构件，本发明也提供了一种制造方法。此方法通过制造并连接多个独立硅结构层而形成所需的构件。
文档编号B81C3/00GK101941671SQ200910040849
公开日2011年1月12日 申请日期2009年7月6日 优先权日2009年7月6日
发明者张刚 申请人:张刚