专利名称：基于工艺残余应力的微型二维振动能采集器的制作方法
技术领域：
本发明属于可再生能源领域，特别涉及到微机电系统(MEMS)技术和将环境动能转换为电能的微能源技术。
背景技术：
将环境中的物理能(如光能、热能、机械能等)转换为电能的微能源(如微型太阳能电池、微型热电池、微型振动能采集器等)具有低成本、小体积、长寿命、易集成、不需更换或充电等诸多优点，特别适合于为无线传感网络节点等供电，受到国内外广泛关注。微型振动能采集器可以将环境中广泛存在的振动能转换为电能，是目前微能源研究的热点。尽管实际环境中的振动往往具有三维特征(如人体运动、树木枝干的运动等)，但目前报道的微型振动能采集器大多是一维的，只能较高效地采集一个方向的振动能，几乎不采集其他两个方向的振动能。为了同时采集多个方向的振动能，德国弗莱堡大学Bartsch等利用微型二维谐振器制作了第一个静电式微型二维振动能采集器，其可以采集衬底平面内两个互相垂直方向的振动能，但该采集器的结构比较复杂。在利用低压化学气相淀积(LPCVD)、等离子增强化学气相淀积(PECVD)等工艺制作多晶硅、二氧化硅和氮化硅等薄膜时，工艺温度远高于室温，由于不同材料的热膨胀系数不同，晶格系数也存在差异，采用以上硅微加工工艺制作的微结构存在较大的工艺残余应力(包括热应力和内禀应力)。工艺残余应力可以分解为平均残余应力和残余应力梯度，在微结构被释放后，工艺残余应力将引起微结构变形，甚至导致微结构的破坏。对于采用硅微加工工艺制作的悬臂梁而言，残余应力梯度将使其产生面外弯曲。国内外对微加工工艺残余应力的检测、影响及降低方法开展了广泛研究，一般是通过调节离子注入种类及剂量、退火温度、退火时间等参数来调节微加工工艺的平均残余应力及残余应力梯度。包含微悬臂梁的压电式微型振动能采集器具有结构简单、易于制作和功率密度高等优点，国内外对其理论模型、加工工艺和输出性能等开展了深入研究，但这些采集器的微悬臂梁都是直的(对于采用硅微加工工艺制作的采集器，都通过掺杂、退火等工艺或多层复合结构来调整残余应力，以使微悬臂梁保持平直)，没有初始面外弯曲变形，在没有外部加速度激励时，微悬臂梁位于衬底表面。这种包含微悬臂梁的压电式微型振动能采集器只能高效地采集振动方向垂直于衬底表面的振动能能，对于振动方向平行于衬底表面的振动能的采集效率极低。
发明内容
本发明针对多方向振动能采集的实际需求，结合微加工工艺残余应力引起的微结构面外变形效应，提出一种MEMS微型振动能采集器新结构，可以高效率地采集两个方向的振动能，在无线传感、医学植入系统、便携电子产品等领域具有广阔应用前景。为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案
基于工艺残余应力的微型二维振动能采集器，其包括衬底和由微加工工艺制作的微悬臂梁和微质量块等部分，微质量块位于微悬臂梁的自由端，该采集器采用硅微加工工艺制作，在完成结构释放后，微加工工艺固有的残余应力将导致微悬臂梁产生初始面外弯曲(微悬臂梁的中性轴也发生初始面外弯曲)，采用微加工工艺在微悬臂梁表面制作一个或多个电学隔离的压电层，各压电层的上、下表面均采用微加工工艺制作了电极。这样，在平行于具有初始面外变形的微悬臂梁中性轴所在平面的加速度作用下，质量块受到的惯性力都将在微悬臂梁内产生弯矩，导致微悬臂梁振动，进一步引起悬臂梁上各压电层应力的交替变化，由于压电效应，各压电层的上、下表面电极之间将产生电势差，利用该电势差就可以为负载供电。因此，对于振动方向与微悬臂梁中性轴所在平面平行的环境振动能，该微型二维振动能采集器均可以实现高效率地采集。可见，本发明针对实际应用对象对微型二维振动能采集器的迫切需求，巧妙地利用硅微加工工艺的残余应力，实现微悬臂梁的初始面外弯曲变形，进一步实现对悬臂梁中性轴平面内的环境振动能的高效采集。本发明具有以下特点
I、本发明提出的微型二维振动能采集器采用硅微加工工艺制作，在完成结构释放后，硅微加工工艺固有的残余应力将导致微悬臂梁的初始面外弯曲变形，本发明正是利用了这种具有初始面外弯曲变形的微悬臂梁结构，达到对悬臂梁中性轴平面内的环境振动能(可以分解为两个相互垂直方向的振动能)的高效采集。2、本发明提出的微型二维振动能采集器具有结构简单、尺寸小、易于制作等优点，在无线传感、便携式电子产品、医学植入系统等领域具有广阔应用前景。
图I是基于工艺残余应力的微型二维振动能采集器的示意图 图2是热氧化的二氧化硅示意图
图3是淀积并图形化的氮化硅示意图 图4是淀积并图形化的多晶娃不意图 图5是淀积的二氧化硅示意图 图6是溅射并图形化的下电极示意图 图7是制备并图形化的压电膜示意图 图8是溅射并图形化的上电极示意图
图9是背面溅射金属掩膜，图形化后形成背面刻蚀窗口的示意图 图10是采用感应耦合等离子从背面刻蚀至正面二氧化硅层的示意图 图11是实验测得的原理样机归一化开路电压与振动方向的关系。
具体实施例方式下面结合实施例进一步对本发明进行说明。 基于工艺残余应力的微型二维振动能采集器如图I所示，其主要包括微悬臂梁I、微质量块2、衬底3部分，微质量块2位于微悬臂梁I的自由端，微悬臂梁I的另一端固定于衬底3上，该采集器采用硅微加工工艺制作，在完成结构释放后，微加工工艺固有的残余应力将导致微悬臂梁I产生初始面外变形，即面外弯曲，采用微加工工艺在微悬臂梁表面制作至少一个或多个电学隔离的压电层4，分别在各压电层的下表面和上表面制作了下电极5和上电极6。对图I所示的微型振动能采集器，在方向平行于具有初始面外变形的微悬臂梁中性轴所在平面的加速度作用下，如方向垂直于衬底I的加速度(图中为Z方向)和方向平行于衬底I和微悬臂梁中性轴所在平面的加速度(图中为Z方向)，质量块2受到的惯性力都将在微悬臂梁I内产生弯矩，使微悬臂梁I振动，进一步导致悬臂梁I的压电层4应力的交替变化，由于压电效应，压电层4的上下表面电极6与电极5之间将产生电势差,利用该电势差就可以为负载供电。对于振动方向与微悬臂梁中性轴所在平面平行的环境振动能，该微型振动能采集器均可高效率地采集。本发明提出的微型二维振动能采集器可以采用硅基微加工工艺制作，下面是制作这种二维振动能采集器的一个典型的工艺流程
I、选取双面抛光的N型高阻硅片作为衬底3，厚度约500 m，通过热氧化在硅片表面生长约200-300nm的Si02层7，如图2所示。2、采用低压化学气相淀积(LPCVD)工艺制备氮化硅层，厚度约O. 1-0. 2 m，在衬底正面涂光刻胶，正面第一次光刻，并通过反应离子刻蚀(RIE)工艺对正面氮化硅层进行图形化，形成氮化硅图形8，如图3所示。3、采用LPCVD工艺制备多晶硅层，厚度约2 m。为了调整工艺残余应力，以使微悬臂梁产生合适的初始面外变形，采用离子注入等方式在多晶硅层内注入磷或硼离子，并进一步进行退火处理。在衬底正面涂光刻胶，正面第二次光刻，并通过RIE工艺对正面多晶硅层进行图形化，形成多晶硅图形9，如图4所示。4、采用LPCVD工艺淀积二氧化硅层，厚度约O. 2 m,如图5所示。5、采用磁控溅射工艺在硅片正面生长厚度60nm/120nm的Ti/Pt层，在衬底正面涂光刻胶，正面第三次光刻，并通过湿法腐蚀工艺分别对Pt和Ti进行图形化，形成下表面电极5图形,如图6所示。6、采用溶胶-凝胶工艺或溅射工艺在硅片正面制作厚度f2 m的PZT压电层，在衬底正面涂光刻胶，正面第四次光刻，并通过湿法腐蚀工艺对PZT层进行图形化，形成PZT压电层4图形,如图7所示。 7、采用磁控溅射工艺在硅片正面生长厚度60nm/120nm的Ti/Pt层，在衬底正面涂光刻胶，正面第五次光刻，并通过湿法腐蚀工艺分别对Pt和Ti进行图形化，形成上表面电极6图形,如图8所示。8、采用磁控溅射工艺在硅片背面生长厚度约200nm的Al层，在衬底背面涂光刻胶，背面第一次光刻，并通过湿法腐蚀工艺分别对Al和二氧化硅进行图形化，形成腐蚀窗口 10，如图9所示。9、以Al为掩膜，采用感应耦合等离子刻蚀从背面刻蚀衬底3，直到刻至正面的二氧化硅层7，如图10所示。
10、进一步从背面采用反应离子刻蚀(RIE)工艺刻透正面的二氧化硅层7，完成振动能采集器结构的释放，由于工艺残余应力的影响，微悬臂梁I将产生初始面外弯曲变形，质量块2也随之到达面外。在PZT压电层4的上表面电极6和下表面电极5之间施加电压，对PZT压电层4进行极化，完成二维振动能采集器的制作，如图I所示。
基于工艺残余应力的微型二维振动能采集器的压电层不仅可以采用PZT材料，也可以采用AlN或ZnO等作为压电层。
忽略边缘效应影响，在完成结构释放后，带工艺残余应力的微悬臂梁将变成圆形，为了进一步验证本发明提出的基于工艺残余应力的微型二维振动能采集器可以高效率地采集振动方向与微悬臂梁中性轴所在平面平行的环境振动能，制作了一个包含具有初始面外变形微悬臂梁的微型二维振动能采集器原理样机，并对其性能进行了检测。将一个半径108mm,高度19mm,壁厚Imm的圆柱壳沿径向平分为两个,圆柱壳为塑料,将其一端固定于制作上，另一端固定一个钢质量块(质量块的长、宽、高分别为llmm、6mm和5mm),在靠近圆柱壳自由端的上表面粘贴长38mm、宽19mm的PVDF压电膜，PVDF膜的厚度为60 μ m,且在PVDF的上、下表面均有金属电极，将PVDF膜的上、下电极均用导线引出，用示波器测量其电压。将以上振动能采集器样机置于振动台上，施加幅值恒定的简谐加速度激励，测得的样机的一阶固有频率和二阶固有频率分别为8. 7Hz和27. 7Hz。为了测量样机在平行于其中性轴的加速度激励下的输出性能，保持振动台台面振动加速度的幅值不变，改变样机与振动方向的角度(在改变角度过程中始终保持台面加速度方向平行于圆柱壳中轴线所在平面)，分别在一阶固有频率8. 7Hz和二阶固有频率27. 7Hz处，测量PVDF膜的开路输出电压。为了对采集器在不同方向的加速度作用下的输出性能进行比较，对开路电压相对于其最大值进行了归一化处理，得到了如图11所示的不同方向的归一化输出电压曲线，其中一条曲线是一阶固有频率处输出电压与振动方向的关系曲线，另一条曲线是二阶固有频率处输出电压与振动方向的关系曲线。由图可知，样机在一阶固有频率处，当固定端与振动方向夹角为112.5到157. 5度之间时，样机采集振动能的效率最高；在二阶固有频率处，当固定端与振动方向夹角为22. 5度到45度之间时，样机采集环境振动能的效率最高。由此可见，在一阶固有频率和二阶固有频率附近，该采集器采集环境振动能效率最高的方向是不同的，只要频率匹配，利用该采集器可以实现对平行于悬臂梁中性轴平面任意方向的振动能的高效采集。以上实验表明，本方明提出的基于工艺残余应力的微型二维振动能采集器可以高效采集振动方向与微悬臂梁中性轴所在平面平行的环境振动能，结构简单、便于制作，在无线传感、便携式电子产品、医学植入系统等领域具有广阔应用前景。
权利要求
1.基于工艺残余应力的微型二维振动能采集器，其包括衬底和由微加工工艺制作的微悬臂梁和微质量块，其特征在于 所述微质量块位于微悬臂梁的自由端，微悬臂梁的另一端固定于衬底上；所述微悬臂梁表面至少具有一个或多个电学隔离的压电层，各压电层的上、下表面均有电极； 所述微悬臂梁具有由于硅微加工工艺残余应力而导致的初始面外弯曲变形； 所述采集器在平行于所述具有初始面外弯曲变形的微悬臂梁的中性轴所在平面的加速度作用下，质量块受到的惯性力都将在微悬臂梁内产生弯矩，导致微悬臂梁振动，进一步引起微悬臂梁上各压电层应力的交替变化，由于压电效应，各压电层的上、下表面电极之间将产生电势差，利用该电势差就可以为负载供电；因此对于振动方向与微悬臂梁中性轴所在平面平行的环境振动能，所述采集器均可以实现高效率地采集。
全文摘要
本发明提出一种基于工艺残余应力的微型二维振动能采集器，包括有微悬臂梁、微质量块和衬底，微质量块位于微悬臂梁的自由端，微悬臂梁的另一端固定于衬底上，微悬臂梁表面包括一个或多个电学隔离的压电层，各压电层的上、下表面均有电极。微悬臂梁具有由于硅微加工工艺残余应力而导致的初始面外弯曲变形。对于振动方向与微悬臂梁中性轴所在平面平行的环境振动能，该微型二维振动能采集器均可以实现高效率地采集。本发明具有结构简单、易于加工和可以高效采集振动方向与微悬臂梁中性轴所在平面平行的环境振动能的优点，特别适合于为无线传感节点、医学植入系统和便携式电子产品等供电。
文档编号B81B3/00GK102627251SQ201210114700
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月18日 优先权日2012年4月18日
发明者贺学锋 申请人:重庆大学