本發(fā)明涉及能量采集技術(shù)領(lǐng)域的一種基于MEMS技術(shù)領(lǐng)域的器件加工工藝，具體的，是一種基于柔性襯底上的壓電厚膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

近些年，無線傳感網(wǎng)、可穿戴設(shè)備以及可植入式醫(yī)療設(shè)備等低功率設(shè)備得到很大發(fā)展，但是要使其得到廣泛運(yùn)用，還存在一些技術(shù)上的問題。其中，如何為這些設(shè)備進(jìn)行供電就是目前研究的重點(diǎn)?，F(xiàn)在，無線傳感網(wǎng)、可穿戴設(shè)備以及可植入式醫(yī)療設(shè)備多采用化學(xué)電池作為電量供應(yīng)設(shè)備，但是化學(xué)電池供電存在著電量存儲(chǔ)有限等問題。如何實(shí)現(xiàn)為無線傳感網(wǎng)以及可植入式醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行有效且源源不斷的供電是目前無線傳感網(wǎng)和可植入式醫(yī)療設(shè)備發(fā)展必須解決的問題。我們生活的環(huán)境當(dāng)中存在著很多的能量來源，除了常見的化石能源和多種形式的清潔可再生能源之外，運(yùn)行的機(jī)器、運(yùn)動(dòng)的人體等都能產(chǎn)生振動(dòng)能。振動(dòng)能存在廣泛，并且隨著低功耗集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，無線設(shè)備工作所需的功耗越來越低，倘若能將振動(dòng)產(chǎn)生的能量收集起來加以利用，將會(huì)在很大程度上解決一些設(shè)備供電的問題。

目前，采用MEMS工藝制作的微型能量采集器工作原理多基于壓電效應(yīng)、電磁感應(yīng)和靜電生能等。其中，基于壓電效應(yīng)的能量采集器，因其具有較高的輸出功率密度、制作工藝成熟且易于集成制造等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)壓電式能量采集器在工作的時(shí)候，根據(jù)諧振理論，當(dāng)器件的固有頻率與外界的振動(dòng)頻率一致時(shí)，器件的振幅最大且可以獲得最優(yōu)的輸出性能。生活中，大多數(shù)振動(dòng)源的基本特征頻率主要集中在10-200Hz，所以設(shè)計(jì)的壓電式能量采集器的固有頻率應(yīng)盡量處于這一范圍之中以獲得最大輸出。此外，環(huán)境中的振動(dòng)頻率會(huì)因不同因素而發(fā)生改變，所以多頻的能量采集器更易匹配振動(dòng)源頻率而表現(xiàn)出更加優(yōu)良的輸出性能。

對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)檢索發(fā)現(xiàn)，P.Janphuang等人在《Vibrational piezoelectric energy harvesters based on thinned bulk PZT sheets fabricated at the wafer level》(Sensors and Actuators A:Physical，1April 2014)中提到PZT作為一種壓電材料具有很多優(yōu)點(diǎn)。目前制作PZT薄膜的方法有很多，例如：濺射、外延生長(zhǎng)、溶膠凝膠法及絲網(wǎng)印刷等方法，但是這些方法大都存在一些缺點(diǎn)，譬如制作過程需要高溫環(huán)境會(huì)對(duì)材料壓電性能造成影響，薄膜的厚度受到所用技術(shù)限制，材料的均勻性、可靠性等難以保證，重復(fù)過程比較困難等等。采用塊狀PZT可以很好地解決這些問題，因而PZT減薄的技術(shù)極其重要。唐剛等人在《Fabrication and analysis of high-performance piezoelectric MEMS generators》(JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING，2012)中將塊狀PZT與硅襯底鍵合后減薄制作成懸臂梁結(jié)構(gòu)，其固有頻率達(dá)到520Hz左右，器件性能得到很大提升。但是由于壓電層制作在剛性襯底上的，從而限制了器件的固有頻率的降低，這就大大縮減了器件的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于柔性襯底上的壓電厚膜及其制備方法，利用柔性襯底增大器件所能承受的力的范圍，從而更好地適應(yīng)工作環(huán)境，減少器件因受力過大造成的結(jié)構(gòu)性損壞，并且更好的滿足于植入式、穿戴式等設(shè)備需求。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于柔性襯底上的壓電厚膜的制備方法，所述方法將原始硅襯底上沉積一層絕緣層后形成原始襯底層，之后利用環(huán)氧樹脂膠將其沉積絕緣層的一面與濺射上電極的壓電材料鍵合；將壓電材料減薄為壓電厚膜層后與柔性襯底層鍵合；通過DRIE、濕法刻蝕或RIE進(jìn)行背面原始襯底層的刻蝕，去除原始襯底層。

具體地，所述方法包括以下步驟：

步驟1、以硅片為基底，在硅片上制作絕緣層，作為原始襯底層；

步驟2、在壓電材料上制作上電極層；

步驟3、將原始襯底層與制作有上電極層的壓電材料鍵合；

步驟4、對(duì)壓電材料減薄成壓電厚膜層，之后在壓電厚膜層上制作下電極層；

步驟5、將壓電厚膜層與柔性襯底層鍵合；

步驟6、采用DRIE或濕法刻蝕去除原始襯底層的硅；

步驟7、采用RIE去除原始襯底層中的絕緣層，從而得到基于柔性襯底上的壓電厚膜。

優(yōu)選地，所述上電極層和所述下電極層的材料均為導(dǎo)電非金屬、金屬或金屬化合物。

更優(yōu)選地，所述上電極層和所述下電極層的材料為Au、Pt、Cu、Al、Cr、Ni、Cr/Ni合金、Cr/Cu合金、Cr/Au合金或Ti/Pt合金、ITO、碳納米管、或石墨烯。

優(yōu)選地，所述原始襯底層為生長(zhǎng)絕緣層的硅襯底。

更優(yōu)選地，所述絕緣層的材料為二氧化硅、氮化硅或聚合物層。

優(yōu)選地，所述壓電厚膜層為PZT、PMNT或BCT-BZT壓電膜層。

優(yōu)選地，所述柔性襯底層的材料為柔性金屬、柔性金屬化合物或柔性聚合物。

優(yōu)選地，所述柔性襯底層的材料為柔性導(dǎo)電銅、TCO、ITO、AZO、CdO、PEDOT:PSS、PPy、PANI、PDMS、PI或Parylene。

本發(fā)明還提供一種由上述制備方法得到的壓電厚膜。

本發(fā)明中，壓電厚膜層由壓電材料減薄得到；上電極層制作在壓電材料上；制作有上電極層的壓電材料采用鍵合工藝與原始襯底層進(jìn)行粘接，原始襯底層在后期刻蝕去除；下電極層制作在壓電厚膜層上；壓電厚膜層和柔性襯底層采用鍵和工藝進(jìn)行粘接；鍵和工藝采用的粘合劑為環(huán)氧樹脂膠。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明制作工藝簡(jiǎn)單，采用微加工工藝制作器件，通過將塊狀壓電材料減薄成壓電厚膜層后制作在柔性襯底上，增加器件的柔性，并且使用減薄的塊狀壓電材料使其在壓電性能上具有良好的表現(xiàn)，從而擁有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，適用于植入式、穿戴式等柔性器件制作。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的加工工藝過程圖；

圖中：1是導(dǎo)電膠層，2是上電極層，3是壓電厚膜層，4是下電極層，5是柔性襯底層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖2所示，一種基于柔性襯底上的壓電厚膜的制備方法，所述方法包括如下步驟：

第一步、在硅片上通過PECVD等方法生長(zhǎng)二氧化硅(如圖2中(a)所示)；

第二步、在壓電材料PZT的一面濺射Au作為上電極(如圖2中(b)所示)，利用絲網(wǎng)印刷的方法在生長(zhǎng)二氧化硅的硅片表面均勻涂覆一層環(huán)氧樹脂膠，之后將壓電材料PZT鍵合于硅片上(如圖2中(c)所示)；

第三步、可根據(jù)需求將壓電材料減薄，這里將壓電陶瓷PZT研磨并拋光減薄至30-50微米(如圖2中(d)所示)，再通過濺射工藝在PZT表面濺射Au作為下電極(如圖2中(e)所示)；

第四步、同樣利用絲網(wǎng)印刷的方法在濺射電極的PZT表面均勻涂敷一層環(huán)氧樹脂膠，之后將PZT與柔性導(dǎo)電的銅片鍵合(如圖2中(f)所示)；

第五步、在原始襯底層非氧化面甩膠光刻作為掩膜，利用DRIE將硅基底刻蝕至二氧化硅層，之后利用RIE刻蝕底面二氧化硅(如圖2中(g)所示)。

如圖1所示，為上述制備方法得到的基于柔性襯底上的壓電厚膜，圖中：導(dǎo)電膠層1，上電極層2，壓電厚膜層3，下電極層4，柔性襯底層5。所述基于柔性襯底上的壓電厚膜的厚度20um-200um。

實(shí)施例一

以制作基于銅片襯底上的PZT壓電式能量采集器為例，其制作過程如下：

第一步、在硅片(400微米)上通過PECVD等方法生長(zhǎng)二氧化硅(2微米)；

第二步、在壓電材料PZT的一面濺射Au(200納米)作為上電極，利用絲網(wǎng)印刷的方法在生長(zhǎng)二氧化硅的硅片表面均勻涂覆一層環(huán)氧樹脂膠，之后將壓電材料PZT鍵合于硅片上；

第三步、可根據(jù)需求將壓電材料減薄，這里將壓電陶瓷PZT研磨并拋光減薄至30-50微米，再通過濺射工藝在PZT表面濺射Au(200納米)作為下電極；

第四步、同樣利用絲網(wǎng)印刷的方法在濺射電極的PZT表面均勻涂敷一層環(huán)氧樹脂膠，之后將PZT與柔性導(dǎo)電的銅片鍵合；

第五步、在原始襯底層非氧化面甩膠光刻作為掩膜，利用DRIE將硅基底刻蝕至二氧化硅層，之后利用RIE刻蝕底面二氧化硅；

第六步、利用激光切割切割出懸臂梁形狀，將其一端固定；

第七步、打線、封裝。

通過上述方法步驟所制作的基于柔性襯底上的壓電厚膜可用于能量采集或壓力傳感器等應(yīng)用，在外界振動(dòng)源的激勵(lì)下，壓電層由于壓電效應(yīng)，其內(nèi)部的電荷發(fā)生位移從而產(chǎn)生了電場(chǎng)。將金屬層累積的電荷采集，即可在外部電路形成電流。柔性導(dǎo)電襯底可以增大器件的受力范圍，減少器件受損的可能性，而獲得更好的工作環(huán)境適應(yīng)性。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。