基于八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)MEMS壓電振動(dòng)能量采集器*

陳東紅 ，安 坤 ，燕 樂(lè) ，孔齡婕 ，賀 婷 ，丑修建 *

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;3.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原030051）

隨著微電子技術(shù)的日趨發(fā)展和成熟，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、無(wú)線傳感系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、無(wú)線通訊等技術(shù)在民用和軍事方面得到了廣泛應(yīng)用［1］。這些系統(tǒng)中電子元件數(shù)量眾多、分布復(fù)雜，對(duì)其更換供能電池很不方便，且成本較高。因此，研制一種體積小、壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、能量密度和轉(zhuǎn)換效率高的自供電振動(dòng)能量采集器成為亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。

振動(dòng)式能量采集器通過(guò)機(jī)械振動(dòng)能量拾取裝置將環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能［2］。根據(jù)不同的能量轉(zhuǎn)換原理，振動(dòng)能量采集器可分為：電磁式、靜電式、磁致伸縮式及壓電式等類型［3-4］。電磁式振動(dòng)能量采集器［5］輸出功率密度較大，環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，但整體尺寸較大，難與MEMS加工制造技術(shù)兼容；靜電式振動(dòng)能量采集器輸出功率較大，但能量轉(zhuǎn)換效率低，且需要預(yù)加外部電壓［6］；磁致伸縮式振動(dòng)能量采集器適合高頻振動(dòng)環(huán)境，需要偏磁體；壓電式振動(dòng)能量采集器因具有較高的機(jī)電耦合特性和輸出電壓、無(wú)需外接電源、與MEMS技術(shù)兼容等優(yōu)勢(shì)得到了國(guó)內(nèi)外許多研究者的關(guān)注和重視［7］。

針對(duì)傳統(tǒng)壓電式振動(dòng)能量采集器的單懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)輸出電能小、諧振頻率高［8］的問(wèn)題，本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種基于八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的MEMS壓電振動(dòng)能量采集器，在每根懸臂梁上都異質(zhì)集成制備PZT壓電功能厚膜層，將所加工制造成的16個(gè)PZT壓電敏感單元相串聯(lián)增加了壓電發(fā)電能量，提高了系統(tǒng)的總體輸出電壓及輸出功率，同時(shí)微結(jié)構(gòu)中的中心質(zhì)量塊可以降低一階諧振頻率，與環(huán)境機(jī)械振動(dòng)極易產(chǎn)生共振。該設(shè)計(jì)將為解決無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電問(wèn)題奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 基本原理

本文所設(shè)計(jì)的MEMS壓電式振動(dòng)能量采集器采用d31工作模式發(fā)電，其結(jié)構(gòu)比d33型壓電能量采集器簡(jiǎn)單，加工制造也更為容易［9-10］。MEMS壓電式振動(dòng)能量采集器芯片基礎(chǔ)單元為八懸臂梁-中心質(zhì)量塊微結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。將該器件置于環(huán)境振動(dòng)條件下，環(huán)境中的機(jī)械振動(dòng)使中心質(zhì)量塊帶動(dòng)八根懸臂梁沿著結(jié)構(gòu)平面Z軸垂直方向一起振動(dòng)，使懸臂梁上PZT壓電膜發(fā)生機(jī)械形變，材料內(nèi)部電極化狀態(tài)改變，在其上下表面分別產(chǎn)生等量異號(hào)的束縛電荷，從而產(chǎn)生電勢(shì)差，通過(guò)外圍能量采集電路將器件所產(chǎn)生的電能進(jìn)行儲(chǔ)存。在正弦特性的振動(dòng)源激勵(lì)作用下產(chǎn)生正弦交流輸出電壓。

圖1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

由瑞利定律（Rayleigh’s Method）推導(dǎo)可得八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的一階諧振頻率F的計(jì)算公式［11］為：

式中，l、w、h分別為懸臂梁的長(zhǎng)度、寬度、厚度，d為PZT壓電厚膜層的厚度，m為中心質(zhì)量塊的質(zhì)量，E為彈性模量。

該MEMS壓電式振動(dòng)能量采集器所對(duì)應(yīng)的輸出功率表達(dá)式［12］為：

式中，ω為外部振動(dòng)頻率，ωn為無(wú)阻尼振動(dòng)時(shí)的固有頻率，ζm、ζe分別為結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻尼比和電致阻尼比。

2 結(jié)構(gòu)加工

利用濕氧熱氧化工藝在4英寸、厚度400 μm的N型雙面拋光單晶Si（100）晶片上下表面生長(zhǎng)高度約300 nm的SiO2層，通過(guò)磁控濺射工藝在SiO2/Si/SiO2晶片上生長(zhǎng)下電極Pt（111）/Ti層，其中Pt層高度為150 nm、Ti層為20 nm。采用Sol-Gel法［13］制備PZT壓電功能厚膜材料層，結(jié)合光刻、濕法/干法刻蝕、磁控濺射、剝離工藝、引線鍵合等MEMS加工工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)器件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的制造。該器件的具體尺寸見(jiàn)表1。

表1 器件結(jié)構(gòu)尺寸

MEMS壓電式振動(dòng)能量采集器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加工流程如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)MEMS加工流程

具體加工工藝流程：（a）清洗晶片：通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)長(zhǎng)有Pt/Ti的硅片進(jìn)行清洗；（b）PZT壓電厚膜異質(zhì)集成制備：利用Sol-Gel法在晶片Pt/Ti層表面異質(zhì)集成3.5 μm的PZT膜；（c）PZT壓電厚膜層濕法腐蝕：結(jié)合光刻工藝，將晶片浸入濕法腐蝕液（體積比H2O∶HCl∶HF=10∶5∶1）中，留下所需要的PZT層；（d）下電極Pt/Ti層刻蝕：采用離子束干法刻蝕（IBE）工藝，去除晶片表面不需要的Pt/Ti金屬層；（e）外側(cè)上電極Au/Ti層加工制作：通過(guò)磁控濺射、剝離技術(shù)工藝，得到懸臂梁上分布的上電極Au/Ti層；（f）Si3N4絕緣層沉積及圖形化加工：通過(guò)電感耦合等離子體化學(xué)氣相沉積（ICPCVD）工藝沉積Si3N4絕緣層，然后進(jìn)行剝離，為下一步懸臂梁內(nèi)側(cè)上電極引出搭建絕緣層橋梁；（g）內(nèi)側(cè)上電極焊盤(pán)點(diǎn)引線層制作：通過(guò)磁控濺射、剝離技術(shù)進(jìn)行Au/Ti圖形化加工，將微結(jié)構(gòu)懸臂梁上靠近中心質(zhì)量塊的上電極單元焊盤(pán)點(diǎn)引至結(jié)構(gòu)邊框上；（h）正面刻蝕加工：對(duì)微結(jié)構(gòu)正面的SiO2層進(jìn)行反應(yīng)離子（RIE）刻蝕，再通過(guò)電感耦合等離子體（ICP）干法刻蝕Si襯底，刻出懸臂梁厚度約15 μm；（i）反面刻蝕加工：首先利用RIE刻蝕工藝將晶片反面SiO2層全部刻蝕，然后采用ICP刻蝕Si襯底層，刻蝕出中心質(zhì)量塊的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)量程約250 μm；（j）微結(jié)構(gòu)釋放：通過(guò)掩膜將中心質(zhì)量塊保護(hù)起來(lái)，從晶片反面繼續(xù)對(duì)Si襯底層進(jìn)行ICP刻蝕，刻穿襯底、釋放微結(jié)構(gòu)，完成該振動(dòng)能量采集器結(jié)構(gòu)的MEMS加工。

利用粘合劑粘貼、熱壓力引線鍵合及焊接技術(shù)完成器件封裝，如圖3所示。

圖3 器件封裝圖

3 測(cè)試分析

自主搭建振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)基于八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)MEMS壓電振動(dòng)能量采集器的輸出性能進(jìn)行測(cè)試。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要由振動(dòng)臺(tái)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、示波器等組成，如圖4所示為該振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的原理圖。

將基于八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)MEMS壓電振動(dòng)能量采集器件的16個(gè)壓電敏感單元串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電壓及功率的最大化輸出。在頻率范圍5 Hz～100 Hz，加速度1gn條件下進(jìn)行掃頻測(cè)試，輸出電壓峰-峰值與頻率之間關(guān)系如圖5所示，結(jié)果表明：MEMS壓電式振動(dòng)能量采集器的一階諧振諧振頻率為41 Hz，此時(shí)輸出的開(kāi)路交流電壓峰峰值最大，為86.94 mV。

圖4 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理圖

圖5 頻率范圍5 Hz～100 Hz，加速度1 gn時(shí)器件輸出電壓

當(dāng)且僅當(dāng)MEMS壓電式振動(dòng)能量采集器處于諧振頻率條件下振動(dòng)時(shí)，懸臂梁上PZT壓電厚膜的形變才最大，器件的輸出性能達(dá)到最高［14］。一階諧振頻率41 Hz、加速度激勵(lì)0.2/0.4/…/2.8/3gn振動(dòng)驅(qū)動(dòng)條件下，測(cè)得其開(kāi)路輸出交流電壓峰峰值與加速度激勵(lì)的關(guān)系如圖6所示。該微能源器件輸出電壓峰-峰值隨加速度激勵(lì)的增大呈線性關(guān)系增大，當(dāng)加速度增大到3gn時(shí)，器件開(kāi)路輸出交流電壓峰峰值達(dá)到最大值264.00 mV，輸出的正弦信號(hào)如圖7所示。

圖6 諧振工作時(shí)器件開(kāi)路輸出交流電壓峰峰值與加速度激勵(lì)的關(guān)系

圖7 一階諧振頻率41 Hz，加速度3gn工作狀態(tài)下器件的開(kāi)路輸出交流電壓

輸出功率是評(píng)定振動(dòng)能量采集器性能好壞的重要指標(biāo)。在一階諧振頻率41 Hz、3gn加速度的振動(dòng)狀態(tài)下，器件的輸出電壓及輸出功率與負(fù)載阻值的關(guān)系如圖8所示，隨著負(fù)載阻值的增加，負(fù)載電壓逐漸增大，最大電壓為226.00 mV；當(dāng)器件輸出端加載3.00 MΩ負(fù)載時(shí)，其輸出功率達(dá)到最大，為0.72 nW。

圖8 一階諧振頻率41 Hz、加速度3 gn，加載不同負(fù)載時(shí)器件輸出電壓及功率

4 結(jié)論

采用Sol-Gel工藝完成硅基PZT壓電厚膜的異質(zhì)集成，結(jié)合MEMS加工制造工藝及引線鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)d31型壓電能量采集器的設(shè)計(jì)與制造。通過(guò)對(duì)器件輸出性能的測(cè)試分析，得知其諧振頻率為41 Hz。當(dāng)加速度激勵(lì)為3gn時(shí)，輸出電壓峰-峰值達(dá)到最大264.00 mV。在器件兩端加載阻值為3.00 MΩ的負(fù)載時(shí)，輸出功率最大，為0.72 nW。基于八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的MEMS壓電式振動(dòng)能量采集器適合低頻段振動(dòng)發(fā)電、輸出電壓較高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單緊湊、與MEMS加工技術(shù)相兼容，有望為各種低功耗智能化MEMS器件系統(tǒng)、海量無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等提供可靠且充足的電能，具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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