一种基于柔性衬底上的压电厚膜及其制备方法与流程

本发明涉及能量采集技术领域的一种基于MEMS技术领域的器件加工工艺，具体的，是一种基于柔性衬底上的压电厚膜及其制备方法。

背景技术：

近些年，无线传感网、可穿戴设备以及可植入式医疗设备等低功率设备得到很大发展，但是要使其得到广泛运用，还存在一些技术上的问题。其中，如何为这些设备进行供电就是目前研究的重点。现在，无线传感网、可穿戴设备以及可植入式医疗设备多采用化学电池作为电量供应设备，但是化学电池供电存在着电量存储有限等问题。如何实现为无线传感网以及可植入式医疗设备进行有效且源源不断的供电是目前无线传感网和可植入式医疗设备发展必须解决的问题。我们生活的环境当中存在着很多的能量来源，除了常见的化石能源和多种形式的清洁可再生能源之外，运行的机器、运动的人体等都能产生振动能。振动能存在广泛，并且随着低功耗集成电路技术的不断发展，无线设备工作所需的功耗越来越低，倘若能将振动产生的能量收集起来加以利用，将会在很大程度上解决一些设备供电的问题。

目前，采用MEMS工艺制作的微型能量采集器工作原理多基于压电效应、电磁感应和静电生能等。其中，基于压电效应的能量采集器，因其具有较高的输出功率密度、制作工艺成熟且易于集成制造等优点而得到广泛应用。当压电式能量采集器在工作的时候，根据谐振理论，当器件的固有频率与外界的振动频率一致时，器件的振幅最大且可以获得最优的输出性能。生活中，大多数振动源的基本特征频率主要集中在10-200Hz，所以设计的压电式能量采集器的固有频率应尽量处于这一范围之中以获得最大输出。此外，环境中的振动频率会因不同因素而发生改变，所以多频的能量采集器更易匹配振动源频率而表现出更加优良的输出性能。

对现有的技术检索发现，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作为一种压电材料具有很多优点。目前制作PZT薄膜的方法有很多，例如：溅射、外延生长、溶胶凝胶法及丝网印刷等方法，但是这些方法大都存在一些缺点，譬如制作过程需要高温环境会对材料压电性能造成影响，薄膜的厚度受到所用技术限制，材料的均匀性、可靠性等难以保证，重复过程比较困难等等。采用块状PZT可以很好地解决这些问题，因而PZT减薄的技术极其重要。唐刚等人在《Fabrication and analysis of high-performance piezoelectric MEMS generators》(JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING，2012)中将块状PZT与硅衬底键合后减薄制作成悬臂梁结构，其固有频率达到520Hz左右，器件性能得到很大提升。但是由于压电层制作在刚性衬底上的，从而限制了器件的固有频率的降低，这就大大缩减了器件的应用范围。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于柔性衬底上的压电厚膜及其制备方法，利用柔性衬底增大器件所能承受的力的范围，从而更好地适应工作环境，减少器件因受力过大造成的结构性损坏，并且更好的满足于植入式、穿戴式等设备需求。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现：

一种基于柔性衬底上的压电厚膜的制备方法，所述方法将原始硅衬底上沉积一层绝缘层后形成原始衬底层，之后利用环氧树脂胶将其沉积绝缘层的一面与溅射上电极的压电材料键合；将压电材料减薄为压电厚膜层后与柔性衬底层键合；通过DRIE、湿法刻蚀或RIE进行背面原始衬底层的刻蚀，去除原始衬底层。

具体地，所述方法包括以下步骤：

步骤1、以硅片为基底，在硅片上制作绝缘层，作为原始衬底层；

步骤2、在压电材料上制作上电极层；

步骤3、将原始衬底层与制作有上电极层的压电材料键合；

步骤4、对压电材料减薄成压电厚膜层，之后在压电厚膜层上制作下电极层；

步骤5、将压电厚膜层与柔性衬底层键合；

步骤6、采用DRIE或湿法刻蚀去除原始衬底层的硅；

步骤7、采用RIE去除原始衬底层中的绝缘层，从而得到基于柔性衬底上的压电厚膜。

优选地，所述上电极层和所述下电极层的材料均为导电非金属、金属或金属化合物。

更优选地，所述上电极层和所述下电极层的材料为Au、Pt、Cu、Al、Cr、Ni、Cr/Ni合金、Cr/Cu合金、Cr/Au合金或Ti/Pt合金、ITO、碳纳米管、或石墨烯。

优选地，所述原始衬底层为生长绝缘层的硅衬底。

更优选地，所述绝缘层的材料为二氧化硅、氮化硅或聚合物层。

优选地，所述压电厚膜层为PZT、PMNT或BCT-BZT压电膜层。

优选地，所述柔性衬底层的材料为柔性金属、柔性金属化合物或柔性聚合物。

优选地，所述柔性衬底层的材料为柔性导电铜、TCO、ITO、AZO、CdO、PEDOT:PSS、PPy、PANI、PDMS、PI或Parylene。

本发明还提供一种由上述制备方法得到的压电厚膜。

本发明中，压电厚膜层由压电材料减薄得到；上电极层制作在压电材料上；制作有上电极层的压电材料采用键合工艺与原始衬底层进行粘接，原始衬底层在后期刻蚀去除；下电极层制作在压电厚膜层上；压电厚膜层和柔性衬底层采用键和工艺进行粘接；键和工艺采用的粘合剂为环氧树脂胶。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明制作工艺简单，采用微加工工艺制作器件，通过将块状压电材料减薄成压电厚膜层后制作在柔性衬底上，增加器件的柔性，并且使用减薄的块状压电材料使其在压电性能上具有良好的表现，从而拥有更好的结构稳定性，适用于植入式、穿戴式等柔性器件制作。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为本发明一实施例的加工工艺过程图；

图中：1是导电胶层，2是上电极层，3是压电厚膜层，4是下电极层，5是柔性衬底层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图2所示，一种基于柔性衬底上的压电厚膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、在硅片上通过PECVD等方法生长二氧化硅(如图2中(a)所示)；

第二步、在压电材料PZT的一面溅射Au作为上电极(如图2中(b)所示)，利用丝网印刷的方法在生长二氧化硅的硅片表面均匀涂覆一层环氧树脂胶，之后将压电材料PZT键合于硅片上(如图2中(c)所示)；

第三步、可根据需求将压电材料减薄，这里将压电陶瓷PZT研磨并抛光减薄至30-50微米(如图2中(d)所示)，再通过溅射工艺在PZT表面溅射Au作为下电极(如图2中(e)所示)；

第四步、同样利用丝网印刷的方法在溅射电极的PZT表面均匀涂敷一层环氧树脂胶，之后将PZT与柔性导电的铜片键合(如图2中(f)所示)；

第五步、在原始衬底层非氧化面甩胶光刻作为掩膜，利用DRIE将硅基底刻蚀至二氧化硅层，之后利用RIE刻蚀底面二氧化硅(如图2中(g)所示)。

如图1所示，为上述制备方法得到的基于柔性衬底上的压电厚膜，图中：导电胶层1，上电极层2，压电厚膜层3，下电极层4，柔性衬底层5。所述基于柔性衬底上的压电厚膜的厚度20um-200um。

实施例一

以制作基于铜片衬底上的PZT压电式能量采集器为例，其制作过程如下：

第一步、在硅片(400微米)上通过PECVD等方法生长二氧化硅(2微米)；

第二步、在压电材料PZT的一面溅射Au(200纳米)作为上电极，利用丝网印刷的方法在生长二氧化硅的硅片表面均匀涂覆一层环氧树脂胶，之后将压电材料PZT键合于硅片上；

第三步、可根据需求将压电材料减薄，这里将压电陶瓷PZT研磨并抛光减薄至30-50微米，再通过溅射工艺在PZT表面溅射Au(200纳米)作为下电极；

第四步、同样利用丝网印刷的方法在溅射电极的PZT表面均匀涂敷一层环氧树脂胶，之后将PZT与柔性导电的铜片键合；

第五步、在原始衬底层非氧化面甩胶光刻作为掩膜，利用DRIE将硅基底刻蚀至二氧化硅层，之后利用RIE刻蚀底面二氧化硅；

第六步、利用激光切割切割出悬臂梁形状，将其一端固定；

第七步、打线、封装。

通过上述方法步骤所制作的基于柔性衬底上的压电厚膜可用于能量采集或压力传感器等应用，在外界振动源的激励下，压电层由于压电效应，其内部的电荷发生位移从而产生了电场。将金属层累积的电荷采集，即可在外部电路形成电流。柔性导电衬底可以增大器件的受力范围，减少器件受损的可能性，而获得更好的工作环境适应性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。