專利名稱：基于風(fēng)致振動機理和壓電效應(yīng)的微型風(fēng)力發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域，特別涉及到MEMS微能 源(Power MEMS)技術(shù)。
背景技術(shù)：
集成電路和MEMS技術(shù)的發(fā)展使具有成千上萬個節(jié)點的無線傳感網(wǎng)絡(luò) 的構(gòu)建成為可能，無線傳感網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測、大型建筑物健康監(jiān)測、公共安 全及軍事等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。由于電池 尺寸大、壽命有限和需要更換等缺點，在長壽命的無線傳感網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置于危 險環(huán)境的無線傳感網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點眾多的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用受到了限制。另 外，便攜式電子產(chǎn)品等對微能源也有巨大需求。將環(huán)境能(如振動能、熱能、 太陽能等)轉(zhuǎn)換為電能的MEMS微能源不需攜帶化學(xué)原料，具有尺寸小、 壽命長、可以和微傳感器系統(tǒng)一體化設(shè)計等優(yōu)點，是解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)等的 能源問題的有效途徑之一。
風(fēng)能是自然界廣泛存在的可再生清潔能源，但目前國際上對基于MEMS 技術(shù)的微型風(fēng)力發(fā)電機的研究幾乎是空白，尚未研制出MEMS微型風(fēng)力發(fā) 電機。MEMS微型風(fēng)力發(fā)電機在基于MEMS技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測、建筑物健康 監(jiān)測等無線傳感網(wǎng)絡(luò)中存在廣闊應(yīng)用前景，研制MEMS微型風(fēng)力發(fā)電機具 有重大的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。大型風(fēng)力發(fā)電機大多基于法拉第電磁感應(yīng)定 律，即通過將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的動能，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動帶動線圈切割磁力線， 產(chǎn)生的感生電動勢可以為負載供電。直接將大型風(fēng)力發(fā)電機微型化的微型風(fēng) 力發(fā)電機方案，在加工工藝和理論方面都存在諸多問題，如低摩擦空氣微軸 承的理論(由于尺度效應(yīng)，摩擦力等表面力在微尺度時影響很大)及制作方法問題，以及多個微結(jié)構(gòu)的組裝方法等問題，因此該方案的可行性尚需進一
步論證。綜合以上分析可見，研究基于新原理的MEMS微型風(fēng)力發(fā)電機具 有重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。
本發(fā)明從大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)及高層建筑等的風(fēng)致振動現(xiàn)象得到啟示，提出 一種基于風(fēng)致振動機理的新型MEMS微型風(fēng)力發(fā)電機。研究發(fā)現(xiàn)，大跨徑 橋梁在設(shè)計時不能僅考慮風(fēng)載荷作用下的靜力響應(yīng)，還必須考慮結(jié)構(gòu)的動力 響應(yīng)，即風(fēng)載荷引起的結(jié)構(gòu)振動，這種振動可能會使駕駛?cè)嘶虺丝透杏X不舒 適，也可能引起橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞，甚至引起橋梁的風(fēng)毀事故。橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng) 設(shè)計的目的是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計使風(fēng)致振動盡可能小，換句話說，就是使橋梁結(jié) 構(gòu)將盡可能少地將環(huán)境風(fēng)能轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)振動能；而基于風(fēng)致振動機理的 MEMS微型風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計則是利用微結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動現(xiàn)象盡可能多地將 環(huán)境風(fēng)能轉(zhuǎn)換為微結(jié)構(gòu)的振動能，但必須對微結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，以確保微結(jié)構(gòu) 不發(fā)生發(fā)散振動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出利用微結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動現(xiàn)象發(fā)電的方法，以及基于 風(fēng)致振動機理和壓電效應(yīng)發(fā)電的微型風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案
基于風(fēng)致振動機理的微型風(fēng)力發(fā)電機利用風(fēng)載荷引起的微結(jié)構(gòu)振動將 環(huán)境風(fēng)能轉(zhuǎn)換為微結(jié)構(gòu)的振動能，進一步將微結(jié)構(gòu)振動能轉(zhuǎn)換為電能，為負 載或儲能器供電。利用壓電效應(yīng)將微結(jié)構(gòu)振動能轉(zhuǎn)換為電能的基于風(fēng)致振動 機理的微型風(fēng)力發(fā)電機包括硅襯底、含壓電層及壓電層上下表面金屬電極的 復(fù)合梁/膜等。其具體工作原理如下環(huán)境風(fēng)載荷將引起含壓電層的復(fù)合MZ 腹結(jié)構(gòu)的振動，復(fù)合梁/膜的振動將引起壓電層應(yīng)力的交替變化，由于壓電效 應(yīng)，在壓電層的上下電極之間將產(chǎn)生交替變化的電勢差，為負載或儲能器供 電。
4基于風(fēng)致振動機理的微型風(fēng)力發(fā)電機的振動部分是復(fù)合梁/膜結(jié)構(gòu)，通過 采用微加工技術(shù)將復(fù)合微梁/膜的某些部分固定于襯底上，微型風(fēng)力發(fā)電機的 振動復(fù)合梁/膜結(jié)構(gòu)可以采用懸臂復(fù)合梁、兩端固支復(fù)合梁、多點固支復(fù)合梁 或部分邊界固支的復(fù)合膜等多種結(jié)構(gòu)形式，以上復(fù)合微梁/膜包含壓電層及壓 電層上下表面的金屬電極等。
本發(fā)明具有以下特點 1、本發(fā)明提出的基于風(fēng)致振動機理的微型風(fēng)力發(fā)電機，首先將環(huán)境風(fēng) 能轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)振動能，進一步利用壓電效應(yīng)將微結(jié)構(gòu)的振動能轉(zhuǎn)換為電能， 為負載或儲能器供電。
2、 以上基于風(fēng)致振動機理的微型風(fēng)力發(fā)電機不需要轉(zhuǎn)動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡 單，便于采用硅微加工技術(shù)進行批量化加工，成本低。
3、 以上基于風(fēng)致振動機理和壓電效應(yīng)的微型風(fēng)力發(fā)電機具有尺寸小、 壽命長、可以和微傳感器系統(tǒng)一體化設(shè)計等優(yōu)點，特別適合于為無線傳感節(jié) 點等供電。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1是在SOI襯底上生長的二氧化硅示意圖
圖2是刻蝕SOI襯底上層單晶硅的示意圖
圖3是熱氧化的二氧化硅示意圖
圖4是采用剝離工藝制備的金屬電極示意圖
圖5是制備的壓電膜示意圖
圖6是采用剝離工藝制備的金屬電極示意圖
圖7是在SOI基片背面涂的光刻膠示意圖
圖8是釋放后的含一層壓電層的微型發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖
圖9是含多壓電層的微型發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖


圖io微型發(fā)電機典型結(jié)構(gòu)一示意圖
圖11微型發(fā)電機典型結(jié)構(gòu)二示意圖
圖12微型發(fā)電機典型結(jié)構(gòu)三示意圖 圖13微型發(fā)電機典型結(jié)構(gòu)四示意圖
具體實施例方式
基于風(fēng)致振動機理和壓電效應(yīng)的微型發(fā)電機的典型結(jié)構(gòu)包括硅襯底、含 壓電層及壓電層上下表面金屬電極的復(fù)合梁/膜等，其中復(fù)合梁/膜可以只包 含一層壓電層(此時復(fù)合梁/膜必須包含另一層結(jié)構(gòu)層，以使該壓電層位于梁
/膜中性軸的一側(cè)，如以下的圖l-8所示的結(jié)構(gòu))，也可以包括多層壓電層(采 用多層壓電層可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的內(nèi)阻抗或提高發(fā)電機的輸出特性)，如以下 的圖9所示的結(jié)構(gòu)。
以下是本微型發(fā)電機的一種結(jié)構(gòu)，采用的是含一層壓電層的復(fù)合梁，其
工藝流程如下
1、 選取雙面拋光的SOI基片為襯底，該SOI基片由厚度約450 500tai 的第一單晶硅層1、厚度約的第一 Si02層2和厚度約1 20tai的第二 單晶硅層3組成，通過熱氧化生長約200nm的第二SiO2層，涂光刻膠，光 亥U， BHF刻蝕Si02，去除光刻膠，形成Si02層圖形4 (如圖l所示)；
2、 采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕或KOH腐蝕第二單晶硅層3，去除第二Si02 層(如圖2所示)；
3、 熱氧化生長約200nm第三SiO2層5 (如圖3所示)；
4、 采用剝離法和濺射法生長約150nm的下金屬電極(Ti/Pt) 6 (如圖4 所示)；
5、 采用溶膠一凝膠法生長厚度1 10tai的鈦鋯酸鉛(PZT)壓電膜， 并通過反應(yīng)離子刻蝕(RIE)對PZT膜進行圖形化，形成壓電層圖形7 (如
圖5所示)；6、 采用剝離法和濺射法生長約150nm的上金屬電極(Ti/Pt) 8 (如圖6 所示)；
7、 在SOI基片的背面涂光刻膠，光刻，形成光刻膠圖形9 (如圖7所
示)；
8、 以光刻膠為掩膜，采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕從SOI基片的背面刻蝕 第一單晶硅層l，到第一Si02層2時停止刻蝕，去除光刻膠，利用HF溶液 去除Si02，釋放發(fā)電機的可動部分(如圖8所示)。
圖8所示的微型發(fā)電機的復(fù)合梁只含有一層PZT壓電層，該壓電層也可 以采用其他壓電材料，如PVDF、 ZnO、 A1N等，壓電層的生長也可以采用 濺射、MOCVD等方法。為了調(diào)節(jié)微型發(fā)電機的內(nèi)阻抗，使其與負載的阻抗 匹配，微型發(fā)電機的梁/膜可以采用含有多層壓電層的復(fù)合梁/膜，如圖9所 示。
基于風(fēng)致振動機理的微型風(fēng)力發(fā)電機可以采用多種結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)，下面
列出四種典型的結(jié)構(gòu)形式典型結(jié)構(gòu)一是固定在襯底IO上的、含壓電層的 懸臂復(fù)合梁11，如圖IO所示；典型結(jié)構(gòu)二是兩端均固定于襯底IO上的兩端 固支的、含壓電層的復(fù)合梁ll，如圖ll所示；典型結(jié)構(gòu)三由多根固定于襯 底10上的、含壓電層的復(fù)合梁11構(gòu)成，如圖12所示；典型結(jié)構(gòu)四是固定
在襯底IO上的、含壓電層的復(fù)合膜12，如圖13所示，圖中的復(fù)合膜形狀是
圓形，也可以采用矩形、多邊形等其它形狀。對于前三種典型結(jié)構(gòu)，環(huán)境風(fēng)
載荷將引起復(fù)合梁的振動；對于第四種典型，環(huán)境風(fēng)載荷將引起復(fù)合膜的振 動。在環(huán)境風(fēng)對復(fù)合梁/膜結(jié)構(gòu)施加的動風(fēng)載荷的頻率與復(fù)合梁/膜結(jié)構(gòu)自振 頻率接近時，復(fù)合梁/膜結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生劇烈振動，梁/膜結(jié)構(gòu)的振動將導(dǎo)致梁/ 膜的壓電層的應(yīng)力交替變化，由于壓電效應(yīng)，壓電層的上下金屬電極之間將 產(chǎn)生電勢差，實現(xiàn)對負載或儲能器供電。
權(quán)利要求
1、基于風(fēng)致振動機理和壓電效應(yīng)的微型風(fēng)力發(fā)電機，利用風(fēng)載荷引起的微結(jié)構(gòu)振動將環(huán)境風(fēng)能轉(zhuǎn)換為微結(jié)構(gòu)的振動能，利用壓電效應(yīng)將微結(jié)構(gòu)的振動能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)對負載或儲能器的供電；其特征在于，包括硅襯底和采用微加工技術(shù)固定于襯底的含壓電層及壓電層上下表面金屬電極的復(fù)合梁/膜，環(huán)境風(fēng)載荷引起含壓電層的微復(fù)合梁/膜結(jié)構(gòu)的振動，復(fù)合梁/膜的振動引起壓電層應(yīng)力的交替變化，由于壓電效應(yīng)，在壓電層的上下電極之間將產(chǎn)生交替變化的電勢差，實現(xiàn)對負載或儲能器的供電。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于風(fēng)致振動機理和壓電效應(yīng)的微型風(fēng)力發(fā)電 機，其特征在于，所述復(fù)合梁/膜中含有一層壓電層及壓電層上下表面的金屬 電極，并且復(fù)合梁/膜必須包含另一層結(jié)構(gòu)層，該結(jié)構(gòu)層位于壓電層下表面金 屬層的下面或位于壓電層上表面金屬層的上面，以使壓電層位于復(fù)合梁/膜中 性軸的一側(cè)。
3、 如權(quán)利要求1所述的基于風(fēng)致振動機理和壓電效應(yīng)的微型風(fēng)力發(fā)電 機，其特征在于，所述在復(fù)合梁/膜中含有多層壓電層，每一層壓電層的上下 表面均有金屬電極，其中每兩層壓電層之間的金屬電極共用。
4、 如權(quán)利要求l、 2或3所述的基于風(fēng)致振動機理和壓電效應(yīng)的微型風(fēng) 力發(fā)電機，其特征在于，微型風(fēng)力發(fā)電機的復(fù)合梁/膜采用懸臂復(fù)合梁、兩端 固支復(fù)合梁、多點固支復(fù)合梁或部分邊界固支的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提出利用微結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動現(xiàn)象發(fā)電的方法，以及基于風(fēng)致振動機理和壓電效應(yīng)的微型發(fā)電機，其包括硅襯底、含壓電層及其上下表的金屬電極的復(fù)合梁/膜等，當(dāng)環(huán)境風(fēng)載荷引起含壓電層的復(fù)合梁/膜結(jié)構(gòu)的振動時，梁/膜結(jié)構(gòu)的振動將引起壓電層的應(yīng)力的交替變化，由于壓電效應(yīng)，壓電層的上下金屬電極之間將產(chǎn)生交替變化的電勢差，該電勢差可以為負載或儲能器供電。含壓電層的復(fù)合梁/膜結(jié)構(gòu)可以采用懸臂復(fù)合梁、兩端固支復(fù)合梁、多點固支復(fù)合梁或部分邊界固支的復(fù)合膜等多種結(jié)構(gòu)形式。以上基于風(fēng)致振動機理的微型風(fēng)力發(fā)電機不需要轉(zhuǎn)動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，便于采用硅微加工技術(shù)進行批量化加工，成本低，特別適合于為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等供電。
文檔編號B81B7/00GK101575082SQ20091010410
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月17日
發(fā)明者廖海洋, 溫志渝, 賀學(xué)鋒 申請人:重慶大學(xué)