专利名称：横向梳齿型微机械震动能量收集器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微机电系统(MEMS)，特别是涉及一种横向梳齿型微机械震动能量收集器，主要用于微小型系统的能量转化和供给。
背景技术：
通常在众多机械电子组件特别是MEMS组件中，需要动力系统来提供组件运转的动力。但是，由于这些器件尺寸较小、集成度较高，或者封装外壳空间紧凑的限制，电池或者燃烧动力系统的这些外部动力系统难以用于这些MEMS应用中，且更换和维护动力系统复杂困难。此外，电池使用寿命因为其体积受限而无法大幅度提高，因此需要频繁更换，而电池使用一段时间后还存在外壳腐蚀、内部电解液泄漏等问题，对于环境的污染也不容小觑。为这些MEMS组件提供动力基本有两种思路，一是基于射频(RF)电能传输，一是基 于机械能量收集系统。RF电能传输技术虽然可以直接传输电能而方便，但是制造工艺复杂，且传输距离、转换效率、布局布线受限较多。振动是一种广泛存在的现象，特别是在汽车、飞机、桥梁，或大型机械等多种场合中，例如家用微波炉的的震动峰值和震动频率为2. 25m/s2和121Hz。此外，人体的肢体运动、血液流动等生命现象，亦能够产生振动。基于MEMS应用的特殊领域，特别是大部分MEMS传感器用于感测这些机械运动，这些MEMS组件在随待测装置一起运动时会积累机械能量，将这些机械振动能回收以用于驱动MEMS组件越来越受到关注。当前一种新型的机械振动能量回收装置例如为横向梳齿型微机械震动能量收集器，作用就是通过耦合外界环境的震动源，将震动的机械能转化为电能提供给后续的传感器、执行器等器件。主要应用于器件体积较小，不易更换电源等情况。由于利用普遍存在于自然界与工业界中的振动能设计了振动能量收集器。因此其具有广泛的应用前景。横向梳齿型微机械震动能量收集器的具体优势有如下几点首先，相对于其他电池，使用的寿命在理论上是无限的，而且提供稳定的电压，保证了器件正常工作的长久性与稳定性。其次可以实现无线网络可以大大减小网络接线，以及接线带来的不便，降低成本，良好的便携性能；可以实现网络节点之间的信息传送以及处理；可以将此种MEMS用于某些物体内部，如桥梁内部、楼房墙壁内部、公路等难于安装和更换电池的地方,可以通过激振的方法测得所需要的数据，来确保安全性能；可以实现对发动机、变速箱之类存在振动的器件的实时监控；可以实现长久的追踪性能，如车辆、飞机的信号运行情况；可以实现能量采集、处理以及反馈执行一系列功能，不需要通过其他器件的处理，有利于实现自动化。然而，如何合理设计这种机械振动能量回收装置的结构，使其小型化、高集成度同时还能提高效率，成为业界亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种新型的横向梳齿型微机械震动能量收集器，可以收集和转化外部震动源为电能，具有寿命长、体积小、采用微电子工艺可以批量加工等优点。为此，本发明提供了一种横向梳齿型微机械震动能量收集器，包括质量块(100)、外框架(200)、梳齿结构(101、205)、回折梁(201、202、203、204)、震动限位器(301、302)，其特征在于回折梁(201、202、203、204)将质量块(100)连接在外框架(200)上。质量块(100)在外界震动源的作用下沿X方向往复震动，其最大振幅由限位器(301,302)限制。质量块(100)上具有第一凸出部分(101)，外框架(200)上具有第二凸出部分(205)，第一凸出部分(101)与第二凸出部分(205)组成的梳齿结构构成可变电容，在质量块(100)震动的过程中，电容的大小发生变化。在梳齿结构(101、205)上具有氮化硅层。氮化硅层厚度为50纳米。本发明还提供了一种制造横向梳齿型微机械震动能量收集器的方法，包括提供 衬底，衬底包括底层、中间层和顶层；蚀刻顶层，直至暴露出中间层，形成质量块、外框架、梳齿结构、回折梁和震动限位器；去除暴露出的中间层，使得质量块、梳齿结构、回折梁和震动限位器悬空；形成电极。其中，衬底为S0I，顶层厚度为200微米，中间层厚度为500微米。其中，还在梳齿结构上CVD沉积50纳米厚的氮化硅。其中，采用氢氟酸湿法去除中间层。其中，电子束蒸镀2000 A厚的铝膜以形成电极。依照本发明的横向梳齿型微机械震动能量收集器，可以高效收集和转化外部震动源为电能，使用寿命长，空间体积小，采用常规微电子工艺可以批量加工，因此制造成本低、转化效率高。本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。
以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中图I为依照本发明的微机械震动能量收集器结构顶视图；图2为微机械震动能量收集器等效电路；以及图3A至图3D为依照本发明的微机械震动能量收集器制造工艺各步骤的剖视图。
具体实施例方式以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了一种新型的横向梳齿型微机械震动能量收集器。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或工艺步骤。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或工艺步骤的空间、次序或层级关系。本发明技术解决方案的具体实施结构如图I所示，一种横向梳齿型微机械震动能量收集器主要由质量块100，外框架200，两对(共四个)回折梁201、202、203、204，两个震动限位器301、302组成。质量块通过四个回折梁与外框架连接，在外界震动源的作用下沿X方向往复震动，其最大振幅由限位器(301、302)限制。同时，质量块与外框架上分布有梳齿结构，具体地，质量块100上沿图示y方向形成有多个相互平行的第一凸出部分101，外框架200上沿y方向也形成有多个相互平行的第二凸出部分205，101与205之间相互交错形成多个可变电容，在质量块(100)震动的过程中，电容的大小发生变化。两个限位器用于限制质量块的过度振幅震动。横向梳齿型微机械震动能量收集器可转化为等效电路如图2所示，包括收集器的可变电容Cx、器件寄生电容Cp、储能电容Cs、两个等效二极管D1/D2以及初始输入电源Vin0图2中Vin为横向梳齿型微机械震动能量收集器的初始输入电源，Cx为收集器的可变电容，其电容值由梳齿(101、205)之间的间距决定。距离越小，电容越大，距离越大，电容越小。Cp代表器件中的寄生电容。Cs为储能电容，用于储存采集器从外界震动所采集和转化的电能。当质量块(100)在外界震动源的作用下震动时，采集器可变电容的电容值在Cmax和Cmin之间变化。当采集器开始工作后,经过第一个周期在存储电容Cs上的电能为
权利要求
1.一种横向梳齿型微机械震动能量收集器，包括质量块(100)、外框架(200)、梳齿结构(101、205)、回折梁(201、202、203、204)、震动限位器(301、302)，其特征在于回折梁(201、202、203、204)将质量块(100)连接在外框架(200)上。
2.根据权利要求I所述的一种横向梳齿型微机械震动能量收集器，其特征在于质量块(100)在外界震动源的作用下沿X方向往复震动，其最大振幅由限位器(301、302)限制。
3.根据权利要求I所述的一种横向梳齿型微机械震动能量收集器，其特征在于质量块(100)上具有第一凸出部分(101)，外框架(200)上具有第二凸出部分(205)，第一凸出部分(101)与第二凸出部分(205)组成的梳齿结构构成可变电容，在质量块(100)震动的过程中，电容的大小发生变化。
4.根据权利要求I所述的一种横向梳齿型微机械震动能量收集器，其特征在于在梳齿结构(101、205)上具有氮化硅层。
5.根据权利要求4所述的一种横向梳齿型微机械震动能量收集器，其特征在于氮化硅层厚度为50纳米。
6.一种制造如权利要求I所述的横向梳齿型微机械震动能量收集器的方法，包括 提供衬底，衬底包括底层、中间层和顶层； 蚀刻顶层，直至暴露出中间层，形成质量块、外框架、梳齿结构、回折梁和震动限位器； 去除暴露出的中间层，使得质量块、梳齿结构、回折梁和震动限位器悬空； 形成电极。
7.如权利要求6的方法，其中，衬底为SOI，顶层厚度为200微米，中间层厚度为500微米。
8.如权利要求6的方法，其中，还在梳齿结构上CVD沉积50纳米厚的氮化硅。
9.如权利要求6的方法，其中，采用氢氟酸湿法去除中间层。
10.如权利要求6的方法，其中，电子束蒸镀2000人厚的铝膜以形成电极。
全文摘要
本发明提供了一种横向梳齿型微机械震动能量收集器，包括质量块(100)、外框架(200)、梳齿结构(101、205)、回折梁(201、202、203、204)、震动限位器(301、302)，其特征在于回折梁(201、202、203、204)将质量块(100)连接在外框架(200)上。依照本发明的横向梳齿型微机械震动能量收集器，可以高效收集和转化外部震动源为电能，使用寿命长，空间体积小，采用常规微电子工艺可以批量加工，因此制造成本低、转化效率高。
文档编号B81B7/00GK102874736SQ20111019788
公开日2013年1月16日 申请日期2011年7月14日 优先权日2011年7月14日
发明者欧毅, 陈大鹏, 叶甜春, 刘宇 申请人:中国科学院微电子研究所