一种低温键合方法、柔性基压电微能量收集装置及系统

1.本发明涉及微电子能量收集技术领域，具体涉及一种低温键合方法、柔性基压电微能量收集装置及系统。


背景技术：

2.近年来，随着低功耗无线传输技术的日趋成熟，各式微型传感器、嵌入式系统以及无线传感网络等得以迅猛发展，微型电子器件的耗电量也已降低到微瓦量级。而传统的电池供电方式存在占用体积大、使用寿命短、存储能量有限、污染环境等不足，因此如何为微型电子器件长期稳定供电是目前需要攻克的技术难题。目前已经发展起来了能量收集技术，即从环境中收集能量并转换为电能实现无线传感节点的自供电；如常见的振动能量收集器是一种通过将振动能转换为电能的一种装置，因为几乎所有无线传感节点特别是工业上普遍使用的无线传感节点都在一定的振动环境下工作，所以振动能量收集器是目前微能量收集领域的一个发展热点。
3.现有从环境中无处不在的振动能收集转换成电能的微能量收集器主要有压电式和电磁式两种；压电式能量收集器结构简单，更易实现微型化，所以更适合作为用于为无线传感节点功能的微能源装置。
4.所谓压电式能量收集器的工作原理是通过压电材料的正压电效应实现振动能到电能的转换，该种能量收集器的常用结构是悬臂梁结构，悬臂梁自由端附着质量块，压电结构梁由电极层、压电层、键合层和基底支撑层组成；压电式微能量收集器的关键工艺是将压电层和基底支撑层牢固结合的键合工艺，目前压电陶瓷键合工艺主要是金金键合，即在键合面上先沉积一层一定厚度的键合层金属，再在温等压力条件下实现键合层金属相互扩散连结实现键合；这种键合方式需要保证键合面保持高度平整无污染，确保键合层金属在工艺过程中高度贴合，且为了充分保证键合层金属的相互扩散速率和强度，需要工艺过程保持在温度高于300℃，压强大于10mpa的条件下进行；用于微能量收集器件的压电材料通常为pzt压电陶瓷，其居里温度为275℃，因此采用金金键合工艺制备能量收集器件，存在易造成压电陶瓷退极化及碎裂、工艺成本高，且良品率低的缺陷。
5.因此，目前亟需一种能够在低温下制造压电微能量收集器件，且降低工艺成本的低温键合方法。


技术实现要素：

6.为此，本发明一种低温键合方法、柔性基压电微能量收集装置及系统，克服了现有技术的缺陷。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了一种低温键合方法，包括：
8.步骤s1：对第一基体进行第一预设处理；
9.步骤s2：在所述第一基体上沉积第一电极层，且在所述第一电极层上印刷银环氧树脂层，形成第一预设基体；
10.步骤s3：根据预设环境，将所述第一预设基体与第二预设基体键合，形成压电片；
11.步骤s4：在所述压电片的第一端面以及第二端面沉积第二电极层，且对所述压电片进行第二预设处理，形成压电结构梁。
12.进一步地，对所述第一基体进行第一预设处理的方法为：
13.对所述第一基体进行研磨处理后，再对所述第一基体进行减薄处理，然后对所述第一基体进行抛光处理。
14.进一步地，在所述第一基体沉积第一电极层或所述压电片沉积第二电极层时，采用磁控溅射法沉积。
15.进一步地，所述第一电极层为crau电极层；所述第二电极层为cral电极层。
16.进一步地，所述预设环境为真空环境，且加热温度为100℃～200℃，环境压力为0.1mpa～2mpa。
17.进一步地，将所述第一预设基体与第二预设基体键合的方法为：
18.根据预设环境，将所述银环氧树脂层与第二基体键合的同时，将所述第二基体与所述第一预设基体相同的第三基体键合。
19.进一步地，对所述压电片进行第二预设处理的方法为：
20.对所述压电片进行切割处理后，在所述压电片的第一端面以及第二端面安装质量块。
21.本发明还提供一种柔性基压电微能量收集装置，包括：
22.第一预设基体，所述第一预设基体包括第一基体、第一电极层、银环氧树脂层、第二电极层，所述第一电极层沉积于所述第一基体的第一端面，所述银环氧树脂层丝网印刷于所述第一电极层上，所述第二电极层沉积于所述第一基体的第二端面；
23.第二预设基体，所述第二预设基体与所述银环氧树脂层键合。
24.进一步地，所述第二预设基体包括：
25.第二基体，所述第二基体的第一端面与所述银环氧树脂层键合；
26.第三基体，所述第三基体与所述第一预设基体结构相同，且所述第三基体的第一端面与所述第二基体的第二端面键合；
27.还包括：
28.质量块，安装于所述第一基体的第二端面以及所述第三基体的第二端面。
29.本发明还提供一种柔性基压电微能量收集系统，包括所述的一种柔性基压电微能量收集装置，还包括：
30.pcb板，与所述柔性基压电微能量收集装置固定连接；
31.电极片，通过电极引线与所述pcb板相连。
32.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
33.本发明所述的一种低温键合方法、柔性基压电微能量收集装置及系统，通过低温键合技术，避免了键合温度造成的压电陶瓷性能下降和高键合压强导致压电层破碎的问题，提高良品率；使用柔性基体作为压电微能量收集装置的支撑层，提高装置整体强度，且柔性基体能够产生更大的震动幅度，提高电能输出，适应更多应用场景；采用激光切割实现器件图形化，实现器件结构的多样性同时避免了传统硅基材料涉及的光刻、刻蚀等高成本的复杂工艺，也避免复杂电极图形制备所需要的掩膜板和制备所带来的一系列复杂工艺。
附图说明
34.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
35.图1是本发明的柔性基压电微能量收集装置的示意图。
36.图2是本发明的第一预设基体的示意图。
37.图3是本发明的压电片的键合示意图。
38.图4是本发明的压电片键合后的减薄示意图。
39.图5是本发明的压电片的第二电极层沉积的示意图。
40.图6是本发明的压电片切割的示意图。
41.图7是本发明的压电结构梁的示意图。
42.说明书附图标记说明：1、压电片，2、质量块，3、pcb板，4、电极片，10、第一基体，11、第二基体，12、第三基体，100、第一电极层，101、银环氧树脂层，102、第二电极层。
具体实施方式
43.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”意图在于覆盖不排他的包含，例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，没有限定于已列出的步骤或单元而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
45.实施例一
46.参照图1-7所示，本发明提供一种低温键合方法的实施例，包括：
47.步骤s1：对第一基体10进行第一预设处理；
48.步骤s2：在所述第一基体10上沉积第一电极层100，且在所述第一电极层100上印刷银环氧树脂层101，形成第一预设基体；
49.步骤s3：根据预设环境，将所述第一预设基体与第二预设基体键合，形成压电片1；
50.步骤s4：在所述压电片1的第一端面以及第二端面沉积第二电极层102，且对所述压电片1进行第二预设处理，形成压电结构梁。
51.本实施例所述的低温键合方法，在所述步骤s1中，对所述第一基体10进行第一预设处理，保证所述第一基体10表面保持高度平整无污染，确保第一电极层100在沉积过程中与所述第一基体10贴合；
52.在所述步骤s2中，在经过第一预设处理的所述第一基体10上沉积所述第一电极层100，能够增强导电性及键合强度，在第一电极层100上丝网印刷银环氧树脂层101，能够使键合条件在相对低温和低压的环境中进行，避免压电陶瓷在居里温度附近导致的性能退化；
53.在所述步骤s3中，在设定的温度环境、气压环境下，在所述预设基体上键合第二预设基体，能够避免温度对压电材料性能的影响和高键合压力导致压电材料在键合过程中破裂的问题，且避免应力引起的翘曲，保证晶片的平整度，保证后续减薄工艺中厚度一致性。
54.在所述步骤s4中，在所述压电片1两端表面沉积第二电极层102，能够成为所述压
电片1的上下电极，进而引出电信号；对所述压电片1进行第二预设处理，能够确定所述压电片1的悬臂梁尺寸，进而通过激光切割技术将所述压电片1加工成悬臂梁结构；
55.本技术通过低温键合技术，避免了键合温度造成的压电陶瓷性能下降和高键合压强导致压电层破碎的问题，降低了方法成本，且提高了良品率。
56.在所述步骤s1中，对所述第一基体10进行第一预设处理的方法为：作业人员选取预设尺寸的待加工的第一基体，所述预设尺寸以及第一基体材质由作业人员根据加工需求设定，在本实施例中所述预设尺寸优选参考4/6英寸，所述第一基体材质参考压电陶瓷片；然后对所述第一基体10进行研磨处理，去除所述第一基体10表面的污渍；然后对所述第一基体10进行减薄处理，将所述第一基体10加工至需要的厚度；然后对所述第一基体10进行抛光处理，降低所述第一基体10表面的粗糙度，提高第一电极层100在沉积过程中与所述第一基体10贴合度。
57.参考图2所示，在所述步骤s2中，在所述第一基体10沉积第一电极层100时，采用磁控溅射法沉积；其中，所述磁控溅射法是物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)的一种，可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多种材料上，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强的优点；作业人员根据加工需求，选用适配的磁控溅射设备；所述第一电极层100为cr(铬)au(金)电极层，其中所述第一电极层的厚度由作业人员根据加工需求设定，在本实施例中参考200nm(纳米)～500nm；在所述第一电极层100沉积完成后，在所述第一电极层100上印刷银环氧树脂层101，进而形成第一预设基体，其中所述印刷技术在本实施例中参考丝网印刷，且采用的网板目数参考300目及以上。
58.参考图3和图4所示，在所述步骤s3中，将所述第一预设基体的银环氧树脂层与第二基体贴合，然后将第二基体与所述第一预设基体结构相同的第三基体贴合，然后置放于键合设备腔体中，将腔体环境设定为预设环境，进行预设时间的键合，键合完成后在常温环境中自然冷却至室温；其中，所述预设环境采用真空环境，且真空度处于1pa以下，然后再施加范围为0.1mpa～2mpa的压力，然后将环境温度加热至100℃～200℃；其中，键合时间由作业人员根据加工需求设定，在本实施例中参考180～360分钟，且在键合完成后，在常温环境中自然冷却至室温后再撤去键合压力；其中，在键合完成后，执行步骤s30，所述步骤s30：对形成的压电片1进行双面的减薄处理；从而将所述压电片1减薄至作业人员设计的厚度尺寸，通过减薄所述压电片1实现压电厚膜的制备，使其压电性能提升，且使其压电厚膜的厚度可控，满足后续加工需求。
59.参考图5、图6和图7所示，在所述步骤s4中，所述第二电极层102采用cr(铬)al(铝)电极层，其中所述第二电极层102的厚度由作业人员根据加工需求设定，在本实施例中参考0.8μm(微米)～2μm；在沉积所述第二电极层102完成后，根据减薄后的所述压电片1厚度确定悬臂梁尺寸，然后使用激光切割机切割释放悬臂梁结构，形成一个压电结构梁，然后再所述压电片1的第一端面以及第二端面装配质量块2，所述质量块2参考钨质量块2。
60.实施例二
61.参考图1和图7所示，本发明还提供一种柔性基压电微能量收集装置，使用实施例一所述的一种低温键合方法制成，包括：
62.第一预设基体，所述第一预设基体包括第一基体10、第一电极层100、银环氧树脂层101、第二电极层102，所述第一电极层100沉积于所述第一基体10的第一端面，所述银环
氧树脂层101丝网印刷于所述第一电极层100上，所述第二电极层102沉积于所述第一基体10的第二端面；
63.第二预设基体，包括第二基体11、第三基体12，所述第二基体11的第一端面与所述第一基体10的银环氧树脂层101键合，所述第三基体12与所述第一预设基体结构相同，且所述第三基体12的第一端面与所述第二基体11的第二端面键合；
64.质量块2，安装于所述第一基体10的第二端面以及所述第三基体12的第二端面。
65.参考图所示，所述第三基体12的第一端面即指所述第三基体12沉积有银环氧树脂层101的一面；所述第一基体10、第一电极层100、银环氧树脂层101、第二电极层102、第二基体11、第三基体12的厚度由作业人员根据实际加工需求设定，在本实施例中可优选的参考为：所述第一基体10采用20～150μm，所述第一电极层100采用200nm～500nm，所述银环氧树脂层101采用5μm～15μm，所述第二电极层102采用0.8μm～2μm，所述第二基体11采用50μm～200μm，所述第三基体12与所述第一基体10、第一电极层100、银环氧树脂层101、第二电极层102的厚度相同；所述第一基体10和第二基体11的材质在本实施例中优选的参考采用pzt(压电陶瓷)；所述第二基体11的材质在本实施例中选用包括但不仅限于铍铜，黄铜，磷青铜，不锈钢；所述质量块2采用的厚度由作业人员根据实际需求设定，且所述质量块2的材质在本实施例中优选的参考采用钨。
66.其中，所述一种柔性基压电微能量收集装置的工作原理是：由于周围环境的振动的激励，引起了压电结构梁的振动，从而使压电陶瓷发生周期性形变产生电能，基于压电效应实现振动能向电能的转换。
67.实施例三
68.参考图1所示，本发明还提供一种柔性基压电微能量收集系统，包括实施例二所述的一种柔性基压电微能量收集装置，还包括：
69.pcb板3，与所述柔性基压电微能量收集装置固定连接；
70.电极片4，通过电极引线与所述pcb板3相连。
71.其中，所述电极片4与pcb板3通过引线机引线实现连接。
72.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
73.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
74.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或
多个方框中指定的功能。
75.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
76.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。