專利名稱：硅基壓電懸臂梁式微型發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明硅基壓電懸臂梁微型發(fā)電裝置，屬于電子技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng) 域中的微能源領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自從世界上第一個晶體管誕生到現(xiàn)在，微電子技術(shù)領(lǐng)域一直以摩爾定 律速度快速發(fā)展，從上個世紀(jì)末期開展微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域的研究以來，以微 型傳感器、執(zhí)行器為代表的微器件體積和質(zhì)量正迅速縮小，而作為能量供 應(yīng)的微能源技術(shù)發(fā)展卻一直較為緩慢，微能源已經(jīng)成為微型化發(fā)展的一個 技術(shù)瓶頸問題。目前應(yīng)用較為廣泛的微型供能電源主要是化學(xué)電池，如鋰 電池、鎳鎘、鎳鋅電池等，它們雖然可以二次充電、多次使用，但能量密 度有限，使用壽命較短， 一次性使用壽命一般僅有幾天到幾個月。目前正 處于開發(fā)階段的有微型太陽能電池、燃料電池、核同位素電池等，以上三 類電池都有諸多優(yōu)點，但使用范圍也有明顯的限制，如太陽能電池必須有 陽光照射的地方才能產(chǎn)生電能輸出，燃料電池需要不斷的補(bǔ)充燃料，并有 水汽排放，而核同位素電池安全問題一直限制其在民用電子設(shè)備上使用。 為了提高微電子有源器件的使用壽命，英國學(xué)者Williams和Yates 1996 年在文章 Analysis of micro-electric generator for Microsystems (sensors and actuators A52, page 8-11)提出收集環(huán)境振動能轉(zhuǎn)化為電能 的理論。能量轉(zhuǎn)換機(jī)理主要有三種壓電轉(zhuǎn)換、電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換。其 中，電磁轉(zhuǎn)換引入了磁場對微電子器件中信號的傳輸有明顯的影響，靜電 轉(zhuǎn)換需要恒定的電場維持，而壓電轉(zhuǎn)換可以避免以上兩個缺點，它是利用 壓電材料的正壓電效應(yīng)將振動引起結(jié)構(gòu)的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電能。Williams 提出了三種轉(zhuǎn)換形式通用的理論模型，但沒有提出合適的壓電轉(zhuǎn)換裝置， 本專利制作了可行的微型壓電發(fā)電裝置。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是將環(huán)境中的振動能轉(zhuǎn)換為電能，為微電子 有源器件提供長期可靠的電源供給，具有轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運行可靠、集成制作等優(yōu)點。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種硅基壓電懸臂梁微型發(fā)電裝置，有硅 質(zhì)固定框架1、氧化層2、鉬/鈦下金屬層3、壓電PZT層4、鉬/鈦上金屬層5、電極絕緣保護(hù)層6、振動底座7構(gòu)成；硅質(zhì)固定框架1的結(jié)構(gòu)是利用單晶硅濕法腐蝕和干法腐蝕相結(jié)合完成加工，其結(jié)構(gòu)連為一體，其中心部分的結(jié)構(gòu)為懸臂梁形狀，包括硅懸臂梁a和自由端質(zhì)量塊b;硅質(zhì)固定框架 1上表面氧化形成二氧化硅氧化層2;氧化層2上的鉑/鈦下金屬層3利用 磁控濺射法制作完成；鉑/鈦下金屬層3上的壓電PZT層4利用溶膠-凝膠Sol-Gel法多次甩膠生長制成；其上為鉑/鈦上金屬電極5;最上層的電極 絕緣保護(hù)層6為二氧化硅絕緣材料，利用磁控濺射法濺射完成；另外在電極絕緣保護(hù)層6上刻有電源電極引線槽c和d。鉑/鈦下金屬層3與鉑/鈦下金屬層5組成硅基壓電懸臂梁發(fā)電裝置正 負(fù)電極。硅基壓電懸臂梁發(fā)電裝置的鉑/鈦上金屬電極5的形狀為平面或做 成梳齒狀正負(fù)電極8、 9。硅基壓電懸臂梁發(fā)電裝置的硅質(zhì)固定框架1內(nèi)的懸臂梁a布置形式為 單個布置，或多個懸臂梁陣列布置。本發(fā)明效果是壓電電源裝置利用微加工工藝集成加工，能夠很好的實現(xiàn)電源、微電子器件集成。電源壽命長，結(jié)構(gòu)簡單可靠、環(huán)保節(jié)能?？?以實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多點布置，無須不斷更換電源。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點的設(shè)計與制作中具有廣泛的應(yīng)用前景。


附圖1是硅基壓電懸臂梁微型發(fā)電裝置B-B主剖視圖，其中1——硅質(zhì)固定框架，2——氧化層Si02， 3——鉑/鈦下金屬層，4——壓電PZT層， 5——鉑/鈦上金屬層，6——電極絕緣保護(hù)層，7——振動底座，a——硅 基懸臂梁，b——自由端質(zhì)量塊，c上電極引線槽，d——下電極引線槽。 附圖2是硅基壓電懸臂梁微型發(fā)電裝置A-A面的俯視圖。 附圖3是硅基壓電懸臂梁微型發(fā)電裝置整體示意圖。 附圖4是梳齒狀電極結(jié)構(gòu)示意圖，其中8、 9——是梳齒狀正負(fù)電極。附圖5是多個壓電懸臂梁陣列型組合發(fā)電示意圖。
具體實施方式
硅基壓電懸臂梁微型發(fā)電裝置是一種將環(huán)境振動能轉(zhuǎn)換為電能的微型 發(fā)電裝置，其發(fā)電原理是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)。在機(jī)械應(yīng)力作用下， 材料首先發(fā)生形變，形變在壓電材料的表面產(chǎn)生自由電荷，將壓電體等效 為電容，則生成自由電荷的相對表面形成電勢差，連接負(fù)載形成能量輸出。結(jié)合圖1說明具體實施方式
，固定框架1用粘結(jié)劑固定在振動底座7 上，隨環(huán)境一起振動。懸臂梁a部分在環(huán)境振動驅(qū)動作用產(chǎn)生強(qiáng)迫振動， 自由端質(zhì)量塊b帶動懸臂梁上下擺動，引起懸臂梁上的壓電PZT層4拉伸 或壓縮產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變。根據(jù)正壓電效應(yīng)，在壓電層4的上、下表面金屬電 極3、 5上生成自由電荷，外電路與金屬電極層的焊點c、 d相連將有電流 產(chǎn)生，即向外輸出電能。壓電材料具有各向異性的壓電系數(shù)矩陣。常用的壓電系數(shù)有d31和d33。 d31形式為材料內(nèi)部應(yīng)變方向與機(jī)電耦合產(chǎn)生的電場方向在相互垂直的方 向；d33形式為材料內(nèi)部應(yīng)變方向與機(jī)電耦合產(chǎn)生的電場方向相同。由此在 附圖1、 3所示的壓電懸臂梁就是利用d31形式，而附圖4所示的壓電懸臂 梁電極分布形式就是利用d33形式實現(xiàn)壓電耦合產(chǎn)生電荷的收集。附圖5是將多個相同的壓電懸臂梁集中制作，形成陣列。與電池的串 聯(lián)和并聯(lián)類似，多個壓電懸臂梁的電極也可以根據(jù)外部功耗器件的需求進(jìn) 行串聯(lián)或并聯(lián)連接。這樣可以提高微型電源的電源功率。
權(quán)利要求
1、一種硅基壓電懸臂梁微型發(fā)電裝置，其特征是，有硅質(zhì)固定框架(1)、氧化層(2)、鉑/鈦下金屬層(3)、壓電PZT層(4)、鉑/鈦上金屬層(5)、電極絕緣保護(hù)層(6)、振動底座(7)構(gòu)成；硅質(zhì)固定框架(1)的結(jié)構(gòu)是利用單晶硅濕法腐蝕和干法腐蝕相結(jié)合完成加工，其結(jié)構(gòu)連為一體，其中心部分的結(jié)構(gòu)為懸臂梁形狀，包括硅懸臂梁(a)和自由端質(zhì)量塊(b)；硅質(zhì)固定框架(1)上表面氧化形成二氧化硅氧化層(2)；氧化層(2)上的鉑/鈦下金屬層(3)利用磁控濺射法制作完成；鉑/鈦下金屬層(3)上的壓電PZT層(4)利用溶膠-凝膠(Sol-Gel)法多次甩膠生長制成；其上為鉑/鈦上金屬電極(5)；最上層的電極絕緣保護(hù)層(6)為二氧化硅絕緣材料，利用磁控濺射法濺射完成；另外在電極絕緣保護(hù)層(6)上刻有電源電極引線槽(c)和(d)；鉑/鈦下金屬層(3)與鉑/鈦下金屬層(5)組成硅基壓電懸臂梁發(fā)電裝置正負(fù)電極。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基壓電懸臂梁發(fā)電裝置，其鉑/鈦上金屬電極(5) 的其特征是，鉑/鈦上金屬電極(5)形狀為平面或為梳齒狀正負(fù)電極(8、 9)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅基壓電懸臂梁發(fā)電裝置，其特征是，硅質(zhì)固 定框架(1)內(nèi)的懸臂梁(a)布置形式為單個布置或多個懸臂梁陣列布置。
全文摘要
本發(fā)明一種硅基壓電懸臂梁微型電源裝置，屬于電子技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中的微能源領(lǐng)域。一種硅基壓電懸臂梁微型發(fā)電裝置，有硅質(zhì)固定框架1、氧化層2、鉑/鈦下金屬層3、壓電PZT層4、鉑/鈦上金屬層5、電極絕緣保護(hù)層6、振動底座7構(gòu)成；硅質(zhì)固定框架1的結(jié)構(gòu)是利用單晶硅濕法腐蝕和干法腐蝕相結(jié)合完成加工，其結(jié)構(gòu)連為一體，其中心部分的結(jié)構(gòu)為懸臂梁形狀，包括硅懸臂梁a和自由端質(zhì)量塊b；壓電電源裝置利用微加工工藝集成加工，能夠很好的實現(xiàn)電源、微電子器件集成。電源壽命長，結(jié)構(gòu)簡單可靠、環(huán)保節(jié)能。可以實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多點布置，無須不斷更換電源。
文檔編號H02N2/18GK101257266SQ20081001013
公開日2008年9月3日 申請日期2008年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月14日
發(fā)明者張海軍, 濤 李, 杜小振, 褚金奎 申請人:大連理工大學(xué)