专利名称：基于mems的传感器自供电电路及其制造工艺的制作方法
技术领域：
4^发明涉及一^t基于MEMS (Micro Electro Mechanical System)的 无限传感器的自供电才狭及其制造工艺，属于电子技术领域。
背景技术：
电力设备在线监测系统，由各类传感器组成。通过传感器测量设备的 电气量和物理量，了解电力系统设备运行状况。当前世^国正在着力发 展智能电网，电气设备智能化是电网智能化的重要组成部分。完善的电力 设备在线监测系统可以使封闭的电力设备"透明化"、信息化，进而实现 智能化。
传统的电力设备在线监测系统,一^J^用RS-485通信,采用有线连接； 电源取自外部电源，采用电源线引入。对于内部高电压运行的设备而言， 不仅布线困难，且无i^f可种导线，包括光缆，长期存在于高压设备内部， 导线易受到电腐蚀、灰尘的影响，引起降低设备内部绝缘的问题不容忽视。
实现无连接线，首先要解决电源问题。MEMS是微功耗器件，容易实现 无线传感技术，是当前技^9f究和应用的重点。无线传感器处在密封的电 力设备中，由于连续供电的需要，电力设备随时处在高压带电状态，不能 按时更换电池，因此传感器的电源不能仅仅靠电-M电。
发明内容
本发明所要解决的技术问^:，克服5WMEMS的传感器供电电池需要 更换的缺点，提供一种基于MEMS的传感器自供电电路及其制造工艺，能够 《W专感器以M线发射器提供连续的电源。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:基于MEMS的传感器自 供电电路，其特征是包括半导刷十底、形成在该半导刷t底上的能量收集
5电路和能量#^诸电3各，M在该半"Wt底、能量收集电路和能量务賭电 路上的介质层，穿过介质层的小隧洞，所述能量收集电路包括有至少三个
x^目并耳^j^接的能量收集单元，每个能量收集单元由一个7la兹铁芯电感、 与该永磁铁芯电感两端串联的两个珪_^^及管构成，其中，永磁铁芯电感两 端分别与这两个硅^^f及管的阴极端、阳极端连4妄，石圭^^fe管中未与7ja兹铁 芯电感连接的阳极端、阴极端分别互相并联，作为能量收集电路的输出端， 所述能量收集电路中各元件之间的连线穿过介质层的'J 、隧洞后实现连接； 所述能量存储电路组成包括由四个硅二极管依次首尾串联构成的整流电 路、珪稳压管、至少一个电容器、以及嵌在半导^H"底上的可充电电池， 整流电路的输入端与能量收集电路的输出端连接，所述整流电路的输出端、 硅稳压管、电容器、可充电电池互相并联，所述硅稳压管的正极、负极分 别与可充电电池的负极、正极连接，所述能量^f渚电路中各元件之间的连 线穿过^"质层的d 、隧洞后实现连接。
为了解决本发明还纟是供了 一种制造权利要求1所tt于MEMS的传感器 自供电电路的工艺，其是在以半导体材料为衬底、并覆以介质层的这种层 状材料基础上进行加工的，所述介质层上形成有若干小隧洞，其工艺主要 包括能量收集电路的制作和能量务賭电路的制作，
所述能量收集电路的制作步骤如下
(1) 、在半导^H"底上渗透镀银7Ja兹材料NdFeB薄膜，通过光刻形成 至少三个 ;ja兹4失心电感；
(2) 、在半导^H"底上制作至少六个硅J^及管， 一个7ja兹铁心电感对
应两个珪_^^及管；
(3) 、在介质层上打通小隧洞，永磁铁心电感的端部引线分别与两个 硅J^及管的阴极端引线、阳极端引线穿过介质层上的小隧洞并连接，实现 4a兹铁心电感两端分别与硅j^及管的串联， 一个7la兹4失心电感与两个珪二
极管构成了 一个能量收集单元；
(4 )、能量收集单元的硅J^及管中未与永磁铁芯电感连接的阳极端、阴极端分别互相并联，作为能量收集电路的输出端； 所述能量务賭电路的制作步骤如下
(I )、在半导^#底上形成首尾依次相连的四个硅_^4及管构成一个整 流电路，所述的四个硅^^f及管之间的连接线穿过介质层上的d、隧洞后进行 连接；
(II )、将整流电路的输入端引线穿过介质层上的小隧洞与能量收集电 路的输出端连接；
(III) 、在半导##底上形成至少一个电容器， 一个硅稳压管；
(IV) 、采用颜'J技术在半导^H"底上形成凹槽，并^7v可充电电池； (V )、将整流电i 各的输出端、电容器的引线、硅稳压管的正负极引线、
可充电电池正负极引线穿过介质层上的小隧洞后进行并^i^接，所述硅稳 压管的正极、负极分别与可充电电池的负极、正极连接。
本发明的有益效果如下本自供电电路的能量收集电路能够获取外界 交变电磁场的能量，实时的输送给能量务賭电路，从而实现了对MEMS无线 传感器的稳定持久性供电，不需要更换电池，良好的解决了基于MEMS的无 线传感器供电问题,为MEMS无线传感器在电力设备在线监测系统领域的普 及应用铺平了道路；本自供电电路采用了 MEMS结构并且采用MEMS工艺进 行制造，使得该电路趋于微型化，可与MEMS的无线传感器集成在一块半导 桐于底上，提高了设备的集M。
图1为本发明基于MEMS的传感器自供电电路的等效原理图。 图2为本发明自供电电路中能量收集电路的等效电原理图。 图3为本发明自供电电路中能量^^诸电路的等效电原理图。 图4为本发明基于MEMS的传感器自供电电路的侧视图。 图5为本发明基于MEMS的传感器自供电电路的侧*1#图。 图6为本发明的能量收集电i 斜欣去介质层后的俯视图。 图7为本发明的能量务賭电踏掀去介质层后的俯视图。务沐实施方式
下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明 不限于所乡会出的例子。
图1为本发明自供电电路的等刻^ 、理图，如图2、图3、图4、图5、 图6、图7所示，本发明基于MEMS的传感器自供电电路，其包括半导桐十 底1、形成在该半导^h"底上的能量收集电路和能量存储电路，覆盖在该 半导刷于底1、能量收集电路和能量存储电路上的介质层2，穿过介质层的 小隧洞4,能量收集电路包括有至少三个互相并^i^接的能量收集单元， 所述能量收集单元(以图2中左侧第一个为例)由一个^a兹铁芯电感Ll、 分别串联于该7JU兹铁芯电感L1两端的两个硅j^及管D1、 D2构成，其中， 7Ja兹铁芯电感Ll两端分別与石圭J^及管D2的阴极端、珪_^4及管Dl阳极端连 接，硅j^及管Dl、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6的另一端，即未与永J兹铁芯电感 Ll、 L2、 L3连接的阳极端、阴极端分別互相并联，作为能量收集电路的输 出端，能量收集电路中各元件之间的连线穿过介质层2的小隧洞4后实现 连接；能量存储电路组成包括由四个硅^f及管D7、 D8、 D9、 D10依次首尾 串联构成的整流电路、硅稳压管DW、至少一个电容器C1、以及嵌在半* 衬底1上的可充电电池,整流电路的输入端与能量收集电路的输出端连接， 整流电路的输出端、硅稳压管DW、电容器C1、可充电电池互相并联，硅稳 压管DW的正极、负极分别与可充电电池的负极、正极连接，能量^f诸电路 中各元件之间的连线穿过介质层2的小隧洞4后实现连接。本实施例中， 介质层上具有一层导电层3,能量收集电路和能量务賭电路的各元件穿过 介质层2的小隧洞后在导电层3上进行连接。如果不i殳置导电层，则利用 金属导线直接连接各元器件。导电层可以是铜板，也可以是银板。
本实施例中，充电电池为以金属钠为负极、磁或碌d口碳纤维为正级的 管状氧化铝固体电解质；半导##底为^這板。
图1、图2、图6中，L2、 L3为永J兹铁芯电感。
本申请还提供了 一种制造基于MEMS的传感器自供电电路的工艺，其是
8在以半导体材料为衬底1、并覆以介质层2的这种层状材料J^出上进行加 工的，所述介质层2上形成有若干小隧洞3 (见图4、图5)，其工艺主要 包括能量收集电路的制作和能量存储电路的制作， 所述能量收集电路的制作步骤如下
(1) 、在半导铜于底上渗透镀4Na兹材料NdFeB薄膜，通过^'J形成 至少三个永石兹4失心电感；
(2) 、在半导制于底上制作至少六个硅^^及管， 一个7Ja兹铁心电感对 应两个石圭-^f及管；
(3) 、在介质层上打通小隧洞，永石兹铁心电感的端部引线分别与两个 硅^f及管的阴极端引线、阳极端引线穿过介质层上的小隧洞并连接，实现
7Ja兹铁心电感两端分别与珪^r4及管的串联， 一个7la兹4失心电感与两个硅二 极管构成了 一个能量收集单元；
(4) 、能量收集单元的硅J^及管的另一端，即未与永磁铁芯电感连接 的阳极端、阴极端分别互相并联，作为能量收集电路的输出端；
所述能量存储电路的制作步骤如下
(I )、在半导^H"底上形成首尾依次相连的四个硅^^及管构成一个整 流电路，所述的四个硅^^f及管之间的连接线穿过介质层上的小隧洞后进行 连接；
(II )、将整流电路的输入端引线穿过介质层上的小隧洞与能量收集电 路的输出端连接；
(III) 、在半导刷于底上形成至少一个电容器， 一个硅稳压管；
(IV) 、采用h'J技术在半导刷于底上形成凹槽，并^/v可充电电池；
(V )、将整流电路的输出端、电容器的引线、硅稳压管的正负极引线、 可充电电池正负极引线穿过介质层上的小隧洞后进行并^i^接，所述硅稳 压管的iL^及、负极分别与可充电电池的负极、正^U^接。
如图4、图5所示，本例中的介质层2上ii^有的导电层3,能量收集电路和能量^f诸电^各的各元件穿过^h质层2的小P遂洞4后在导电层3上 进行连接，该导电层可以是铜板，也可以是4M反；半导刷于底1为石M^反。
除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替 换或等效变换形式的纟支术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
权利要求
1、基于MEMS的传感器自供电电路，其特征是包括半导体衬底、形成在该半导体衬底上的能量收集电路和能量存储电路，覆盖在该半导体衬底、能量收集电路和能量存储电路上的介质层，穿过介质层的小隧洞，所述能量收集电路包括有至少三个互相并联连接的能量收集单元，每个能量收集单元由一个永磁铁芯电感、与该永磁铁芯电感两端串联的两个硅二极管构成，其中，永磁铁芯电感两端分别与这两个硅二极管的阴极端、阳极端连接，硅二极管中未与永磁铁芯电感连接的阳极端、阴极端分别互相并联，作为能量收集电路的输出端，所述能量收集电路中各元件之间的连线穿过介质层的小隧洞后实现连接；所述能量存储电路组成包括由四个硅二极管依次首尾串联构成的整流电路、硅稳压管、至少一个电容器、以及嵌在半导体衬底上的可充电电池，整流电路的输入端与能量收集电路的输出端连接，所述整流电路的输出端、硅稳压管、电容器、可充电电池互相并联，所述硅稳压管的正极、负极分别与可充电电池的负极、正极连接，所述能量存储电路中各元件之间的连线穿过介质层的小隧洞后实现连接。
2、 根据权利要求1所述的基于MEMS的传感器自供电电路，其特征是 还具有一块覆盖于介质层上的导电层，所述能量收集电路和能量存储电路 的各元件穿过介质层的'J 、隧洞后在导电层上进行连接。
3、 根据权利要求1所述的基于MEMS的传感器自供电电路，其特征是 所述的导电层为铜板或4財反中的一种。
4、 根据权利要求1所述的基于MEMS的传感器自供电电路，其特征是 所述的充电电池为以^属钠为负极、减或辟J口碳纤维为正级的管状氧化铝 固体电lf质。
5、 根据权利要求1所述的基于MEMS的传感器自供电电路，其特征是所述的半导刷于底为^i^反。
6、 一种制造权利要求1所tt于MEMS的传感器自供电电路的工艺，其是在以半导体材料为衬底、并覆以介质层的这种层状材料勤出上进行加 工的，所述介质层上形成有若干小P逸洞，其工艺主要包括能量收集电路的 制作和能量存储电路的制作，所述能量收集电路的制作步骤如下(1) 、在半导^H"底上渗透镀银^a兹材料NdFeB薄膜，通过光刻形成 至少三个7Ja兹4失心电感；(2) 、在半导刷十底上制作至少六个硅j^及管， 一个7ja兹铁心电感对应两个;圭_^^及管；(3) 、在介质层上打通小隧洞，永^兹铁心电感的端部引线分别与两个 硅J^及管的阴极端引线、阳极端引线穿过介质层上的小隧洞并连接，实现7Ja兹铁心电感两端分别与硅^^^及管的串联， 一个7la兹铁心电感与两个硅二 极管构成了 一个能量收集单元；(4 )、能量收集单元的硅二极管中未与7ja兹铁芯电感连接的阳极端、 阴极端分别互相并联，作为能量收集电路的输出端；所述能t^诸电路的制作步骤如下(I )、在半导刷于底上形成首尾依次相连的四个石圭^^^及管构成一个整 流电路，所述的四个硅^^fel管之间的连接线穿过介质层上的'J、隧洞后进行 连接；(n )、将整流电路的输入端引线穿过介质层上的小隧洞与能量收集电路的输出端连接；(III) 、在半导桐于底上形成至少一个电容器， 一个硅稳压管；(IV) 、采用光刻技术在半导糾于底上形成凹槽，并^X可充电电池；(V )、将整流电路的输出端、电容器的引线、硅稳压管的正负极引线、 可充电电池正负极？ 1线穿过介质层上的小隧洞后进行并耳^ii接，所述硅稳 压管的正极、负极分别与可充电电池的负极、正极连接。
7、根据权利要求6所述的制it^于MEMS的传感器自供电电路的工艺，其特征是介质层上^A有的导电层，所述能量收集电路和能量存储电路的 各元件穿过介质层的d 、隧洞后在导电层上进行连接。
8、 根据权利要求6所述的制it^于MEMS的传感器自供电电路的工艺， 其特征是，所述的导电层为铜板或4財反中的一种。
9、 根据权利要求6所述的制造基于MEMS的传感器自供电电路的工艺， 其特征是，所述的充电电池为以金属钠为负极、磁或碌u^碳纤维为正级的 管状氧化铅固体电解质。
10、 根据权利要求6所述的制造基于MEMS的传感器自供电电路的工艺，其特征是，所述半导制十底为^i^反。
全文摘要
基于MEMS的传感器自供电电路，依次包括半导体衬底、形成在半导体衬底上的能量收集电路和能量存储电路、介质层，能量收集电路包括有至少三个由一个永磁铁芯电感、两个硅二极管构成的且互相并联的能量收集单元；能量存储电路组成包括由四个硅二极管依次首尾串联构成的整流电路、硅稳压管、至少一个电容器、以及嵌在半导体衬底上的可充电电池，整流电路的输入端与能量收集电路的输出端连接，整流电路的输出端、硅稳压管、电容器、可充电电池互相并联。本发明能够获取外界交变电磁场的能量，为MEMS无线传感器提供了稳定而持久的电源，良好的解决了MEMS无线传感器供电问题，为MEMS无线传感器在电力设备在线监测系统领域的普及应用铺平了道路。
文档编号B81C1/00GK101531333SQ200910029489
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月14日 优先权日2009年4月14日
发明者曹嘉一, 赵一强, 顾欣欣 申请人:曹嘉一;赵一强;顾欣欣