一種電磁式mems振動能量收集器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種收集環(huán)境中振動能量的能量收集器及其制備方法，尤其涉及一種基于MEMS (Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統(tǒng))技術的電磁式振動能量收集器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]物聯(lián)網在智能交通、醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測、公共安全及國防軍事等領域應用前景廣闊，我國已把物聯(lián)網作為戰(zhàn)略產業(yè)加以大力推動。物聯(lián)網包含許多功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點，節(jié)點之間相互通信、協(xié)同工作。微能源技術負責為傳感器節(jié)點提供電源，是物聯(lián)網發(fā)展的關鍵技術之一。目前普遍采用化學能電池或燃料電池等微能源為節(jié)點供電，但是這類電池具有體積大及壽命有限的缺點，需要定期更換或進行燃料補充。而能量收集器通過拾取環(huán)境能量(如光、振動等)轉化為電能為節(jié)點供電。與化學能電池或燃料電池比較，它具有經濟、環(huán)保且理論上無壽命限制等優(yōu)點。太陽能、電磁輻射、溫差、振動等都是可拾取的環(huán)境能源，與其它環(huán)境能源相比，振動是一種分布廣泛的能量源，因此振動能量收集器具有廣闊的發(fā)展前景。
[0003]根據(jù)不同的轉換原理，振動能量收集器包括電磁式、壓電式及靜電式等三種類型，其中電磁式能量收集器發(fā)展最為成熟。一個典型的電磁式能量收集器主要由電感和永磁體構成，它基于法拉第電磁感應原理將振動能轉換為電能。為了提高能量收集效率，要求電磁式能量收集器工作在諧振狀態(tài)，即收集器中拾振結構的固有頻率與外界環(huán)境中的振動頻率一致，但是，環(huán)境中的振動具有頻率成分多且多變(頻帶寬)的特點，因此，實際中該能量收集器很難工作在諧振狀態(tài)，其能量收集效率較低；此外，電磁式能量收集器往往僅能收集單一方向的振動能量，當工作在振動方向隨機變化的環(huán)境時，它能收集到的振動能量十分有限，進一步限制了其能量收集效率。

【發(fā)明內容】

[0004]發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有技術，提出一種電磁式MEMS振動能量收集器及其制備方法，提高振動能量收集效率。
[0005]技術方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:
[0006]—種電磁式MEMS振動能量收集器的制備方法，包括如下步驟:
[0007](I)，選用娃作為第一襯底，通過熱氧化的方法在第一襯底表面生長一層S12;
[0008](2)，以所述S12做掩膜并使用TMAH試劑對第一襯底進行各向異性刻蝕，刻蝕深度為50?200 μ m，刻蝕后形成凹槽；
[0009](3)，使用HF溶液去除第一襯底表面的S12,并通過熱氧化的方法在第一襯底的表面及凹槽的底部和周側區(qū)域重新生長100?100nm厚度的S12，形成底氧化層；
[0010](4)，通過濺射在底氧化層的表面依次制作一層Ti以及一層Cu，作為制作電感線的種子層；
[0011](5)，通過噴涂法在所述Cu的表面形成一層光刻膠并光刻，定義出電感線層圖形，電感線層包括若干根間隔設置的電感線；
[0012](6)，通過電鍍的方法在所述電感線層圖形區(qū)域生長10?30 μπι的Cu ;
[0013](7)，通過刻蝕去除光刻膠以及被光刻膠覆蓋的種子層，完成電感線層的制備；
[0014](8)，通過增強型化學氣相沉積的方法在所述電感線層位于凹槽內區(qū)域的表面制作一層I?10 μπι厚度的S12并光刻，形成頂氧化層；
[0015](9)，按照步驟(1)-(8)，在第二襯底表面依次制備凹槽、底氧化層、電感線層以及頂氧化層；
[0016](10)，將可動永磁體置于第一襯底的凹槽內，然后將第二襯底的凹槽正對第一襯底的凹槽，所述第一襯底和第二襯底上的電感線的首端和尾端之間以跨接方式連接并通過Cu-Cu之間共晶鍵合形成螺旋電感，第一襯底的凹槽和第二襯底的凹槽共同形成空腔。
[0017]—種電磁式MEMS振動能量收集器，包括第一襯底，在所述第一襯底上表面中部開有第一凹槽，所述第一襯底上表面以及第一凹槽的底部和周側均設有第一底氧化層，在所述第一底氧化層表面設有第一電感線層，所述第一電感線層包括若干根間隔設置的電感線，每根電感線的中部位于第一凹槽內，每根電感線的首端和尾端分別位于第一凹槽外部，在第一電感線層位于所述第一凹槽內區(qū)域的表面設有第一頂氧化層；
[0018]第二襯底，在所述第二襯底下表面中部開有第二凹槽，所述第二襯底下表面以及第二凹槽的底部和周側均設有第二底氧化層，在所述第二底氧化層表面設有第二電感線層，所述第二電感線層包括若干根間隔設置的電感線，每根電感線的中部位于第二凹槽內，每根電感線的首端和尾端分別位于第二凹槽外部，在第二電感線層位于所述第二凹槽內區(qū)域的表面設有第二頂氧化層；
[0019]所述第二襯底設置于第一襯底上方，所述第一凹槽和第二凹槽共同形成空腔，所述第一電感線層與所述第二電感線層的電感線的首端和尾端之間以跨接方式連接形成螺旋電感，所述空腔內設有可動永磁體。
[0020]進一步的，所述第一電感線層和第二電感線層由一層Ti和一層Cu復合構成，第一電感線層和第二電感線層的電感線的首端和尾端之間通過Cu-Cu之間共晶鍵合。
[0021 ] 進一步的，所述可動永磁體為球體或圓柱體。
[0022]進一步的，所述第一凹槽和第二凹槽的深度為50?200 μm，所述第一襯底和第二襯底為硅襯底，所述第一底氧化層和第二底氧化層均為厚度在100?100nm的S12，所述第一頂氧化層和第二頂氧化層均為厚度在I?10 μπι的Si02。
[0023]有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0024]1、在振動環(huán)境中，本發(fā)明能量收集器的拾振結構可在腔體內自由運動，為非諧振式的拾振結構，與傳統(tǒng)能量收集器中諧振式的拾振結構相比，其運動情況(如運動幅度等)受環(huán)境振動頻率的影響小，并且能夠響應不同方向的環(huán)境振動。無論振動頻率和振動方向如何變化，本發(fā)明的能量收集器都能高效地收集到振動能量并轉換為電能，因此，本發(fā)明的能量收集器具有高的能量收集效率。
[0025]2、本發(fā)明采用MEMS技術制備，傳感器具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及制造成本低的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的剖面結構示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明的第一襯底的結構示意圖；
[0028]圖3本發(fā)明螺旋電感的結構示意圖；
[0029]圖中有:第一襯底10、第一凹槽11、第一底氧化層12、第一電感線層13、第一頂氧化層14、第二襯底20、第二凹槽21、第二底氧化層22、第二電感線層23、第二頂氧化層24、可動永磁體33。
【具體實施方式】
[0030]一種電磁式MEMS振動能量收集器的制備方法，包括如下步驟:
[0031](I)，選用N型(100)硅作為第一襯底10，通過濕氧熱氧化的方法在第一襯底10的上表面生長100nm厚度的S12，其中第一襯底10的形狀為長條矩形。
[0032](2)，以步驟(I)制備的 S12做掩膜，使用 TMAH(Tetramethyl ammoniumhydroxide，四甲基氫氧化銨)試劑對第一襯底10進行各向異性濕法刻蝕，刻蝕深度為50?200 μ m，刻蝕后在第一襯底10上表面中部形成第一凹槽11。
[0033](3)，使用HF (氫氟酸)溶液去除第一襯底10表面的S12,并通過濕氧熱氧化的方法在第一襯底10的表面及第一凹槽11的底部和周側區(qū)域重新生長100?100nm厚度的S12，形成第一底氧化層12。
[0034](4)，按上述步驟(1)-(3)，在第二襯底20下表面制備第二凹槽21，并在第二凹槽21的底部和周側區(qū)域制備第二底氧化層22。
[0035](5)，通過派射在第一底氧化層12的表面依次制作一層10nm Ti以及一層500nmCu，作為制作電感線的種子層。
[0036](6)，通過噴涂法在Cu的表面形成一層光刻膠并光刻，定義出電感線層圖形。由于第一襯底10上的第一電感線層13包括若干根間隔設置的電感線，因此在定義出電感線層圖形時需根據(jù)預先計算好的電感線的形狀及位置采用相應的掩膜板。如圖2所示，電感線的中部位于第一凹槽11內并與凹槽貼合，電感線的首端和尾端分別位于第一凹槽外部的第一底氧化層12表面上。
[0037](7)，通過電鍍的方法在已定義出的電感線圖形的區(qū)域生長10?30 μ m厚度的Cu。
[0038](8)，通過刻蝕去除光刻膠以及被光刻膠覆蓋的種子層，形成第一電感線層13。
[0039](9)，按照步驟(5)-(8)，在第二襯底20的第二底氧化層22上制備第二電感線層23。其中，根據(jù)電感式MEMS濕度傳