專利名稱：基于pmnt壓電單晶的mems寬頻振動能量采集器及制備方法
技術領域：
本發明涉及的是ー種能源技術領域的器件，具體是ー種基于PMNT壓電單晶的 MEMS寬頻能量采集器及制備方法。
背景技術：
隨著無線傳感網絡、各類植入式傳感器等研究的不斷深入，對其供電電源提出新的要求和挑戰。微型壓電式振動能量采集器，作為ー種無需更換、無人看管的新型自我維持微能源，由于可以把器件所處的環境振動通過壓電效應轉換為電能而為各種低功耗微型電子器件供電，正受到學術界和產業界越來越多的關注。目前，采用MEMS技術制備的壓電能量采集器，大部分是在硅材料基底沉積制備ー 層PZT薄膜以及作為電極的金屬材料復合而成的多層懸臂梁結構。但比較成熟的PZT薄膜制備技木，比如sol-gel法，制備的厚度被限制在2μπι以內，這將限制器件的輸出性能。 如何提高MEMS能量采集器的輸出性能以使其能夠滿足實際應用一直是科研人員追求的目標。新型壓電單晶材料PMNT (xPb (Mgl73Nb273) O3-(l-χ)PbTiO3)，其壓電性能比傳統的 PZT壓電陶瓷高出10倍，由于具有優異的壓電性能，使得它可以替代傳統的壓電陶瓷，在聲探測、超聲成像、高應變驅動器、能量采集等轉換器件上得到廣泛應用。另外，MEMS技術研制的壓電能量采集器的輸出功率與外部環境振動頻率密切相關，當壓電能量采集器的固有頻率與外部環境振動頻率相同時，發生共振現象并得到最大輸出功率，但是，當壓電能量采集器的固有頻率偏離外部振動頻率時，輸出的功率將不斷減少。因此，在寬頻范圍內的能量采集技術是當前MEMS能量采集技術領域的一大熱點和難題。經對現有技術文獻的檢索發現，Chengliang Sun, Lifeng Qin等在《Journal of Intelligent Material Systems and Structures)) 20 (2009)撰文“PiezoelectricEnergy Harvesting using Single Crystal Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-XPbTiO3 (PMN-PT) Device”(“采用 PMN-PT制備的壓電能量采集器”《智能材料與結構期刊》)。該文中提及到的MEMS壓電能量采集器，是采用壓電性能較好的PMN-PT單晶材料代替傳統的PZT陶瓷材料制備的懸臂梁宏觀器件，這種形式雖可獲得較大的輸出功率，但器件較大且未解決寬頻問題，實用性不強。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器及制備方法，使壓電換能元件在低頻振動環境下獲得較大的輸出功率，以解決傳統的MEMS壓電能量采集器輸出功率低、工作頻帶窄等問題。本發明是通過以下技術方案實現的一種基于PMNT壓電單晶的寬頻能量采集器，是ー種將彎曲振動機械能轉換為電能的壓電器件，包括硅固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層以及質量塊，其中，所述硅固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層依次貼合形成多層結構，所述多層結構的一端懸空，所述質量塊固定在所述多層結構的自由端上。所述的支撐層為柔性較好的碳纖維或玻璃纖維薄膜。所述的支撐層與硅固定基座是通過環氧樹脂結合。所述的PMNT壓電薄膜層，其表面覆蓋電極層。所述的電極層為Cr、Ni、CrAu合金或TiPt合金制成。所述的PMNT壓電薄膜層，是在支撐層上先通過導電環氧樹脂鍵合PMNT壓電單晶， 再減薄PMNT制成。所述的質量塊為裝滿液體的容器。所述的容器是指采用MEMS方法制備的空心容器。所述的液體為室溫下液體的金屬如水銀、銅鎵。本發明涉及的上述基于PMNT壓電單晶的寬頻MEMS能量采集器的制備方法，包括以下步驟第一歩，將支撐層粘接于硅固定基座上；所述的支撐層粘接于硅固定基座上，具體是將支撐層通過環氧樹脂粘接在硅固定基座上，其中，硅固定基座是指雙面拋光并且表面熱氧化ー層ニ氧化硅的硅片。第二歩，在支撐層上通過鍵合和減薄方法制備PMNT壓電薄膜；所述的制備PMNT壓電薄膜方法，具體是在制備的硅基支撐層上，將單面拋光的體材PMNT壓電材料，通過導電環氧樹脂粘貼在支撐層上，然后通過化學機械研磨拋光方法將PMNT壓電片厚度減薄至所需的厚度，如5 μ m-30 μ m。第三歩，在PMNT壓電薄膜表面上制備電極；所述的制備電極方法，是指采用liftoff方法或先濺射后采用離子銑刻蝕圖形化電極。第四歩，制備質量塊；所述的制備質量塊方法，具體是采用SU8膠，通過光刻、顯影等MEMSエ藝制備空心容器，并在容器中注入液態金屬。第五步，采用切片機切割圖形化PMNT壓電薄膜；所述的切片機切割PMNT壓電薄膜，可指根據需要，切成不同形狀。第六歩，使用微加工エ藝制備壓電能量采集器結構；所述的微加工エ藝包括光刻、顯影、濕法ニ氧化硅刻蝕、濕法體硅加工、XeF2干法刻蝕或DRIE等。 第七歩，焊接電導線，極化壓電片。所述PMNT壓電片電極極化，是沿厚度方向。與現有技術相比，本發明采用壓電性能較好的PMNT單晶作為壓電材料，并用鍵合和減薄方法制備高性能的PMNT壓電薄膜，其厚度可控制在所要求的范圍內，從而可使制備的能量采集器在低頻環境下獲得較高的輸出特性，此外，器件結構采用的質量塊是盛滿液體的容器，使其在振動環境下，能有效地改變懸臂梁的等效質量，從而可改變器件的固有頻率而與環境頻率匹配。因此，制備的器件可在較寬的環境振動頻率范圍內輸出較大穩定的功率。
圖1是實施例一的結構示意圖。圖2是實施例ニ的結構示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例一如圖1所示，本實施例壓電能量采集器包括硅固定基座、支撐層、PMNT 壓電薄膜層和質量塊，其中=I-SiO2層，2-Si層，3-環氧樹脂層，4-支撐層，5-導電環氧樹脂層，6-PMNT壓電薄膜層，7-液體，8-電極層，9-容器。所述的硅固定基座，是由Si層2和其上的氧化物SW2層1組成；所述的質量塊，是由液體層7和容器9組成；所述的液體層7，是指液體水銀；所述的容器9，是指SU8膠エ藝制備的方形容器。所述的支撐層4，是指厚度為15 μ m的碳纖維；所述的壓電薄膜6，是指厚度為10 μ m的PMNT壓電薄膜層；所述的電極層8是Cr/Au合金，其厚度為0. 20 μ m。本實施例通過以下步驟進行制備第一歩，將碳纖維支撐層4粘接在硅固定基座上；所述的粘接方法，具體是將厚度為15 μ m的碳纖維支撐層4通過環氧樹脂3鍵合在厚度為500 μ m的雙面拋光氧化的硅基片上，然后在貼合的硅片/碳纖維上施加0. IMpa 的壓カ后放入真空烘箱進行加溫固化。固化分為兩個階段，1、50°C溫度下2小時；2、105°C 溫度下3小吋。第二歩，在支撐層4上通過鍵合和減薄方法制備PMNT壓電薄膜6 ；所述的鍵合方法，具體是在制備的硅基碳纖維支撐層4上，將單面拋光的體材 PMNT壓電材料，通過導電環氧樹脂5鍵合在碳纖維支撐層4上。所述的減薄方法，具體是將與硅片鍵合好的厚度為500 μ m的PMNT壓電單晶，依次采用顆粒為W28、W14、W7的金剛砂進行研磨，最后采用粒度為0. 5μπι的金剛石拋光膏進行拋光，減薄后的PMNT厚度為10 μ m。第三歩，在PMNT壓電薄膜表面上制備電極8 ；所述的制備電極方法，具體是先在制備好的壓電薄膜上，甩正膠15 μ m，再通過光刻、顯影技術圖形化光刻膠。然后在圖形化的光刻膠表面上濺射ー層0. 20μπι的Cr/Au 層，最后使用丙酮將光刻膠去棹，實現1 iftoffエ藝制備電扱。第四歩，使用SU8膠等エ藝制備微容器9，并注入水銀7密封制作質量塊；所述的SU8膠エ藝制備微容器的技木，具體是在潔凈的硅片上濺射鈦膜作為種子層，然后對鈦膜進行氧化處理以改善基底與SU8膠的結合力，在鈦膜上以600轉/分鐘的速度SU8-500光刻膠30秒，得到膠厚度約為500 μ m，光刻、顯影得到矩形質量塊空腔。第五步，采用切片機切割圖形化已制備的硅/碳纖維/PMNT薄膜等多層結構；所述的切片機切割圖形化多層結構，是指切割成多個矩形，切片機中切片刀厚度為300 μ m,且切削深度為50 μ m左右。第六歩，使用微加工エ藝制備壓電能量采集器結構；所述的微加工エ藝，具體是通過光刻、顯影等エ藝，采用濕法刻蝕SiO2,在正膠的掩蔽作用下，光刻圖形處SW2將被HF酸腐蝕；腐蝕SiO2后，采用KOH溶液濕法刻蝕硅，刻蝕至20 μ m厚的硅膜時停止刻蝕；最后，采用XeF2干法刻蝕硅，使壓電能量采集器一端固定，
ヵー端思空。第七歩，焊接電導線，極化壓電片。所述的極化壓電片，具體是在引出的電導線兩端，加直流電壓20V，保持15分鐘。實施例ニ 如圖2所示，本實施例壓電能量采集器包括硅固定基座、支撐層、PMNT 壓電薄膜層和質量塊，其中=I-SiO2層，2-Si層，3-環氧樹脂層，4-支撐層，5-導電環氧樹脂層，6-PMNT壓電薄膜層，7-液體，8-電極層，9-容器。所述的硅固定基座，是由Si層2和其上的氧化物SW2層1組成；所述的質量塊，是由液體層7和容器9組成；所述的液體層7，是指液體水銀；所述的容器9，是指SU8膠エ藝制備的方形容器。所述的支撐層4，是指厚度為20 μ m的玻璃纖維；所述的壓電薄膜6，是指厚度為15 μ m的PMNT壓電薄膜層；所述的電極層8是Ti/Pt合金，其厚度為0. 15 μ m。本實施例通過以下步驟進行制備第一歩，將玻璃纖維支撐層4粘接在硅固定基座上，并在其上表面濺射ー層電極 8 ；所述的粘接方法，具體是將厚度為20 μ m的玻璃纖維支撐層4通過環氧樹脂3 鍵合在厚度為500 μ m的雙面拋光氧化的硅基片上，然后在貼合的硅片/玻璃纖維上施加 0. IMpa的壓カ后放入真空烘箱進行加溫固化。固化分為兩個階段，1、50°C溫度下2小時； 2、105°C溫度下3小時。第二歩，在支撐層4上通過鍵合和減薄方法制備PMNT壓電薄膜6 ；所述的鍵合方法，具體是在制備的硅基玻璃纖維支撐層4上，將單面拋光的體材 PMNT壓電材料，通過導電環氧樹脂5鍵合在玻璃纖維支撐層4上。所述的減薄方法，具體是將與硅片鍵合好的厚度為500 μ m的PMNT壓電單晶，依次采用顆粒為W28、W14、W7的金剛砂進行研磨，最后采用粒度為0. 5μπι的金剛石拋光膏進行拋光，減薄后的PMNT厚度為15 μ m。第三歩，在PMNT壓電薄膜表面上制備電極8 ；所述的制備電極方法，具體是先在制備好的壓電薄膜上，甩正膠15 μ m,再通過光刻、顯影技術圖形化光刻膠。然后在圖形化的光刻膠表面上濺射ー層0. 15μπι的Ti/Pt 層，最后使用丙酮將光刻膠去棹，實現1 iftoffエ藝制備電扱。第四歩，使用SU8膠等ェ藝制備微容器9，并注入水銀7密封制作質量塊；
所述的SU8膠エ藝制備微容器的技木，具體是在潔凈的硅片上濺射鈦膜作為種子層，然后對鈦膜進行氧化處理以改善基底與SU8膠的結合力，在鈦膜上以600轉/分鐘的速度SU8-500光刻膠30秒，得到膠厚度約為500 μ m，光刻、顯影得到矩形質量塊空腔。第五步，采用切片機切割圖形化已制備的硅/玻璃纖維/PMNT薄膜等多層結構；所述的切片機切割圖形化多層結構，是指切割成多個矩形，切片機中切片刀厚度為200 μ m,且切削深度為45 μ m左右。第六歩，使用微加工エ藝制備壓電能量采集器結構；所述的微加工エ藝，具體是通過光刻、顯影等エ藝，采用濕法刻蝕SiO2,在正膠的掩蔽作用下，光刻圖形處SW2將被HF酸腐蝕；腐蝕SiO2后，采用KOH溶液濕法刻蝕硅，刻蝕至15 μ m厚的硅膜時停止刻蝕；最后，采用DRIE干法刻蝕硅，使壓電能量采集器一端固定，
另一端懸空。第七歩，焊接電導線，極化壓電片。所述的極化壓電片，具體是在引出的電導線兩端，加直流電壓20V，保持15分鐘。本發明采用壓電性能較好的PMNT單晶作為壓電材料，并用鍵合和減薄方法制備高性能的PMNT壓電薄膜，能夠有效地提高器件的輸出特性，從而提高轉換效率；同時，采用固定在懸臂梁端部的裝滿液體的微容器，可實時有效地改變器件在振動環境下的固有頻率，使其更有效地匹配環境的振動頻率，從而使器件在較寬頻率范圍的振動環境中獲得穩定的輸出。
權利要求
1.一種基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，包括娃固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層和質量塊，其中，所述硅固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層依次貼合形成多層結構，所述多層結構的一端懸空，所述的質量塊固定在所述多層結構的自由端上。
2.根據權利要求1所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，所述的支撐層為碳纖維或玻璃纖維薄膜。
3.根據權利要求1所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，所述的PMNT壓電薄膜層，其表面覆蓋電極層，其中，電極層為Cr、Ni、CrAu合金或TiPt 合金制成。
4.根據權利要求1所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，所述的PMNT壓電薄膜層，是在支撐層上先通過導電環氧樹脂鍵合PMNT壓電單晶，再減薄PMNT制成。
5.根據權利要求1所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，所述的質量塊為裝滿液體的容器。
6.根據權利要求5所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，所述的容器是指采用MEMS方法制備的空心容器。
7.根據權利要求5所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，其特征在干，所述的液體為室溫下液體金屬。
8.一種根據上述任ー權利要求所述的基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器的制備方法，其特征在干，包括以下步驟第一歩，支撐層與硅固定基座的鍵合。第二歩，在支撐層上通過鍵合和減薄方法制備PMNT壓電薄膜。第三歩，在PMNT壓電薄膜表面上制備電扱。第四歩，制備質量塊。第五步，采用切片機切割圖形化PMNT壓電薄膜。第六歩，使用微加工ェ藝制備壓電能量采集器結構。第七歩，焊接電導線，極化壓電片。
全文摘要
一種基于PMNT壓電單晶的MEMS寬頻振動能量采集器，是一種將彎曲振動機械能轉換為電能的壓電器件，包括硅固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層和質量塊，其中，硅固定基座、支撐層、PMNT壓電薄膜層依次貼合形成多層結構，所述多層結構的一端懸空，所述質量塊固定在所述多層結構的自由端上。本發明采用壓電性能較好的PMNT單晶作為壓電材料，并用鍵合和減薄方法制備高性能的PMNT壓電薄膜，能夠有效地提高器件的輸出特性，從而提高轉換效率；同時，采用固定在懸臂梁端部的裝滿液體的微容器，可實時有效地改變器件在振動環境下的固有頻率，使其更有效地匹配環境的振動頻率，從而使器件在較寬頻率范圍的振動環境中獲得穩定的輸出。
文檔編號H01L41/083GK102544349SQ20111044663
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者劉景全, 唐剛, 杉山進, 楊斌, 楊春生 申請人:上海交通大學