一种悬臂梁式薄膜压力发电结构的制作方法

本发明属于微机电系统领域，具体为一种悬臂梁式薄膜压力发电结构。

背景技术：

微机电系统（micro-electro-mechanicalsystem,mems）技术是以微电子技术为基础的，声、光、电、材料、力学、化学等多学科交叉的革命性新技术。它采用半导体加工工艺，融合了光刻、腐蚀、刻蚀、沉积等关键技术，致力于打造集传感器、执行器和微能源于一体的超微小型智能芯片。mems技术在研发硅微传感器的过程中由微电子技术逐渐演变而来，最初将其应用于硅压阻式压力传感器。随着该技术的发展和推广，运用mems技术制备的各类硅基传感器，如压力传感器、加速度计、温度传感器、气体传感器、集成光学传感等，以其精度高、成本低、体积小、可靠性高等优点迅速实现商业化。作为硅基传感器中的典型代表，硅压力传感器具有制作工艺成熟、工作性能稳定、性能价格比高等优点，广泛应用于汽车工业、自动控制、航天航海、医疗卫生和军事应用等方面。压力传感器主要以不同功能器件在硅基底上实现单片集成的智能化传感微系统为研究目标，实现高灵敏度、小量程、高工作温度压力探测，以满足不同领域的工作要求。

目前体育比赛当中诸如跆拳道、武术表演等赛场记分牌和照明设备等装置都是通过外接电源工作的，不符合节能环保原则，在赛场上的运动员消耗掉的动能没有被利用起来，本发明就目前这种问题，提供一种悬臂梁式薄膜压力发电结构。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提供了一种悬臂梁式薄膜压力发电结构，并且提供了悬臂梁式环形谐振腔的薄膜发电的工作原理和压电层制作方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种悬臂梁式薄膜压力发电结构,包括框型基底，框型基底的一侧开口，框型基底开口正对的梁上设有悬空在框型基底内的硅悬臂梁，硅悬臂梁的自由端固定有质量块，框型基底开口正对的梁上方还设有二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层上设有底电极层，底电极层上朝框型基底开口侧延伸有位于硅悬臂梁上方的条状底电极层，质量块上设有pzt压电层，pzt压电层朝二氧化硅绝缘层方向延伸有位于条状底电极层上方的条状pzt压电层，条状pzt压电层上方设有顶电极层。

上述的一种悬臂梁式薄膜压力发电结构,pzt压电层的制作方法包括以下步骤：

第一步：制备好前驱体溶胶,用甩胶机旋转涂覆到衬底表面,在衬底上形成一层均匀的pzt湿膜，甩胶机转速为3000r/min,旋涂时间30s；

第二步：预热干燥，将pzt湿膜放在180°c烘箱中烘烤10min,以除去水分和有机成分形成pzt干膜；

第三步：预热处理，将pzt干膜放入马福炉中进行预热处理,使溶胶发生凝胶缩聚形成固溶体，得到pzt薄膜；

第四步：重复上述步骤，在衬底上总共甩5层pzt薄膜；

第五步：最终退火处理，将5层pzt薄膜放入马福炉中进行最终退火处理,使pzt薄膜进行凝聚,薄膜结晶逐渐由焦绿石相转变为具有压电性能的钙钦矿相结构,最后随炉自然冷却；

第六步：重复上述步骤,直至达到所需的的厚度。

本发明悬臂梁结构设计目的是为了使悬臂梁处于振动环境中，能够实现共振模式,因此需要使悬臂梁的振动频率与环境振动频率接近。由于环境中普遍存在着主振频率在100-500hz之间的低频振动源,因此,本发明设计的压电悬臂梁要满足谐振频率在100-500hz之间,以便悬臂梁在这些振动源中达到共振,最大的输出电能。为了获得更低谐振频率,在悬臂梁的自由端增加了质量块,同时适当的增加宽度，结构示意图如图1所示。在压电悬臂梁的自由端增加集中质量块,具有以下两个方面的突出优点，首先能够降低悬臂梁的固有频率,使结构的固有频率与环境振动频率相同或接近,从而使压电发电的振动系统在共振状态下工作。其次,自由端集中质量增加了惯性力,从而增加悬臂梁的变形,即增加输入压电层的机械能,输出电能也就相应的提高。当该系统处于振动环境中时,外界环境中的振动能传递到系统内,引起悬臂梁振动并弯曲变形,使悬臂梁储存机械能,让悬臂梁与压电层相结合,从而引起压电层的伸缩进而产生电信号,实现了机械能到电能的转换。

附图说明

图1为悬臂梁式薄膜发电结构示意图。

图2为悬臂梁式薄膜发电结构分层示意图。

图3为悬臂梁式薄膜发电机构工作原理示意图。

图中：1-框型基底，2-硅悬臂梁，3-质量块，4-二氧化硅绝缘层，5-底电极层，6-pzt压电层，7-顶电极层。

具体实施方式

一种悬臂梁式薄膜压力发电结构,包括框型基底1，框型基底1的一侧开口，框型基底开口正对的梁上设有悬空在框型基底内的硅悬臂梁2，硅悬臂梁2的自由端固定有质量块3，质量块3的宽度大于硅悬臂梁2的宽度，框型基底开口正对的梁上方还设有二氧化硅绝缘层4，二氧化硅绝缘层4上设有pt/ti（钛上面镀铂）底电极层5，pt/ti底电极层5上朝框型基底开口侧延伸有位于硅悬臂梁上方的条状pt/ti底电极层5，质量块上设有pzt压电层6，pzt压电层6朝二氧化硅绝缘层方向延伸有位于条状底电极层上方的条状pzt压电层6，条状pzt压电层上方设有pt/ti顶电极层7。

上述的一种悬臂梁式薄膜压力发电结构，pzt压电层的制作方法包括以下步骤：

第一步：制备好前驱体溶胶,用甩胶机旋转涂覆到衬底表面,在衬底上形成一层均匀的pzt湿膜，甩胶机转速为3000r/min,旋涂时间30s；

第二步：预热干燥，将pzt湿膜放在180°c烘箱中烘烤10min,以除去水分和有机成分形成pzt干膜；

第三步：预热处理，将pzt干膜放入马福炉中进行预热处理,使溶胶发生凝胶缩聚形成固溶体，得到pzt薄膜；

第四步：重复上述步骤，在衬底上总共甩5层pzt薄膜；

第五步：最终退火处理，将5层pzt薄膜放入马福炉中进行最终退火处理,使pzt薄膜进行凝聚,薄膜结晶逐渐由焦绿石相转变为具有压电性能的钙钦矿相结构,最后随炉自然冷却；

第六步：重复上述步骤,直至达到所需的的厚度。

图3为悬臂梁式薄膜发电机构工作原理示意图，其工作原理为：当系统处于振动环境中时,外界环境中的振动能传递到系统内,引起硅悬臂梁振动并弯曲变形,使硅悬臂梁储存机械能,从而引起压电层的伸缩进而产生电信号,实现了机械能到电能的转换。

技术特征：

技术总结
本发明属于微机电系统领域，具体为一种悬臂梁式薄膜压力发电结构，包括框型基底，框型基底开口正对的梁上设有悬空在框型基底内的硅悬臂梁，硅悬臂梁的自由端固定有质量块，框型基底开口正对的梁上方还设有二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层上设有底电极层，底电极层上朝框型基底开口侧延伸有位于硅悬臂梁上方的条状底电极层，质量块上设有PZT压电层，PZT压电层朝二氧化硅绝缘层方向延伸有位于条状底电极层上方的条状PZT压电层，条状PZT压电层上方设有顶电极层。当系统处于振动环境中时,外界环境中的振动能传递到系统内,引起硅悬臂梁振动并弯曲变形,使硅悬臂梁储存机械能,从而引起压电层的伸缩进而产生电信号,实现了机械能到电能的转换。

技术研发人员：闫树斌;李国洪;张志东;张彦军;冯登超;张勐;赵学峰;薛晨阳;张文栋
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2017.03.31
技术公布日：2017.07.21