专利名称：硅基压电悬臂梁式微型发电装置的制作方法
技术领域：
本发明硅基压电悬臂梁微型发电装置，属于电子技术和微机电系统领 域中的微能源领域。
背景技术：
自从世界上第一个晶体管诞生到现在，微电子技术领域一直以摩尔定 律速度快速发展，从上个世纪末期开展微机电系统领域的研究以来，以微 型传感器、执行器为代表的微器件体积和质量正迅速縮小，而作为能量供 应的微能源技术发展却一直较为缓慢，微能源已经成为微型化发展的一个 技术瓶颈问题。目前应用较为广泛的微型供能电源主要是化学电池，如锂 电池、镍镉、镍锌电池等，它们虽然可以二次充电、多次使用，但能量密 度有限，使用寿命较短， 一次性使用寿命一般仅有几天到几个月。目前正 处于开发阶段的有微型太阳能电池、燃料电池、核同位素电池等，以上三 类电池都有诸多优点，但使用范围也有明显的限制，如太阳能电池必须有 阳光照射的地方才能产生电能输出，燃料电池需要不断的补充燃料，并有 水汽排放，而核同位素电池安全问题一直限制其在民用电子设备上使用。 为了提高微电子有源器件的使用寿命，英国学者Williams和Yates 1996 年在文章 Analysis of micro-electric generator for Microsystems (sensors and actuators A52, page 8-11)提出收集环境振动能转化为电能 的理论。能量转换机理主要有三种压电转换、电磁转换、静电转换。其 中，电磁转换引入了磁场对微电子器件中信号的传输有明显的影响，静电 转换需要恒定的电场维持，而压电转换可以避免以上两个缺点，它是利用 压电材料的正压电效应将振动引起结构的机械应变转换为电能。Williams 提出了三种转换形式通用的理论模型，但没有提出合适的压电转换装置， 本专利制作了可行的微型压电发电装置。发明内容本发明要解决的技术问题是将环境中的振动能转换为电能，为微电子 有源器件提供长期可靠的电源供给，具有转换效率高、结构简单、成本低廉、运行可靠、集成制作等优点。本发明采用的技术方案是 一种硅基压电悬臂梁微型发电装置，有硅 质固定框架1、氧化层2、钼/钛下金属层3、压电PZT层4、钼/钛上金属层5、电极绝缘保护层6、振动底座7构成；硅质固定框架1的结构是利用单晶硅湿法腐蚀和干法腐蚀相结合完成加工，其结构连为一体，其中心部分的结构为悬臂梁形状，包括硅悬臂梁a和自由端质量块b;硅质固定框架 1上表面氧化形成二氧化硅氧化层2;氧化层2上的铂/钛下金属层3利用 磁控溅射法制作完成；铂/钛下金属层3上的压电PZT层4利用溶胶-凝胶Sol-Gel法多次甩胶生长制成；其上为铂/钛上金属电极5;最上层的电极 绝缘保护层6为二氧化硅绝缘材料，利用磁控溅射法溅射完成；另外在电极绝缘保护层6上刻有电源电极引线槽c和d。铂/钛下金属层3与铂/钛下金属层5组成硅基压电悬臂梁发电装置正 负电极。硅基压电悬臂梁发电装置的铂/钛上金属电极5的形状为平面或做 成梳齿状正负电极8、 9。硅基压电悬臂梁发电装置的硅质固定框架1内的悬臂梁a布置形式为 单个布置，或多个悬臂梁阵列布置。本发明效果是压电电源装置利用微加工工艺集成加工，能够很好的实现电源、微电子器件集成。电源寿命长，结构简单可靠、环保节能。可 以实现无线传感网络的多点布置，无须不断更换电源。在无线传感网络节 点的设计与制作中具有广泛的应用前景。
附图1是硅基压电悬臂梁微型发电装置B-B主剖视图，其中1——硅质固定框架，2——氧化层Si02， 3——铂/钛下金属层，4——压电PZT层， 5——铂/钛上金属层，6——电极绝缘保护层，7——振动底座，a——硅 基悬臂梁，b——自由端质量块，c上电极引线槽，d——下电极引线槽。 附图2是硅基压电悬臂梁微型发电装置A-A面的俯视图。 附图3是硅基压电悬臂梁微型发电装置整体示意图。 附图4是梳齿状电极结构示意图，其中8、 9——是梳齿状正负电极。附图5是多个压电悬臂梁阵列型组合发电示意图。
具体实施方式
硅基压电悬臂梁微型发电装置是一种将环境振动能转换为电能的微型 发电装置，其发电原理是利用压电材料的正压电效应。在机械应力作用下， 材料首先发生形变，形变在压电材料的表面产生自由电荷，将压电体等效 为电容，则生成自由电荷的相对表面形成电势差，连接负载形成能量输出。结合图1说明具体实施方式
，固定框架1用粘结剂固定在振动底座7 上，随环境一起振动。悬臂梁a部分在环境振动驱动作用产生强迫振动， 自由端质量块b带动悬臂梁上下摆动，引起悬臂梁上的压电PZT层4拉伸 或压縮产生机械应变。根据正压电效应，在压电层4的上、下表面金属电 极3、 5上生成自由电荷，外电路与金属电极层的焊点c、 d相连将有电流 产生，即向外输出电能。压电材料具有各向异性的压电系数矩阵。常用的压电系数有d31和d33。 d31形式为材料内部应变方向与机电耦合产生的电场方向在相互垂直的方 向；d33形式为材料内部应变方向与机电耦合产生的电场方向相同。由此在 附图1、 3所示的压电悬臂梁就是利用d31形式，而附图4所示的压电悬臂 梁电极分布形式就是利用d33形式实现压电耦合产生电荷的收集。附图5是将多个相同的压电悬臂梁集中制作，形成阵列。与电池的串 联和并联类似，多个压电悬臂梁的电极也可以根据外部功耗器件的需求进 行串联或并联连接。这样可以提高微型电源的电源功率。
权利要求
1、一种硅基压电悬臂梁微型发电装置，其特征是，有硅质固定框架(1)、氧化层(2)、铂/钛下金属层(3)、压电PZT层(4)、铂/钛上金属层(5)、电极绝缘保护层(6)、振动底座(7)构成；硅质固定框架(1)的结构是利用单晶硅湿法腐蚀和干法腐蚀相结合完成加工，其结构连为一体，其中心部分的结构为悬臂梁形状，包括硅悬臂梁(a)和自由端质量块(b)；硅质固定框架(1)上表面氧化形成二氧化硅氧化层(2)；氧化层(2)上的铂/钛下金属层(3)利用磁控溅射法制作完成；铂/钛下金属层(3)上的压电PZT层(4)利用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法多次甩胶生长制成；其上为铂/钛上金属电极(5)；最上层的电极绝缘保护层(6)为二氧化硅绝缘材料，利用磁控溅射法溅射完成；另外在电极绝缘保护层(6)上刻有电源电极引线槽(c)和(d)；铂/钛下金属层(3)与铂/钛下金属层(5)组成硅基压电悬臂梁发电装置正负电极。
2、 根据权利要求1所述的硅基压电悬臂梁发电装置，其铂/钛上金属电极(5) 的其特征是，铂/钛上金属电极(5)形状为平面或为梳齿状正负电极(8、 9)。
3、 根据权利要求1或2所述的硅基压电悬臂梁发电装置，其特征是，硅质固 定框架(1)内的悬臂梁(a)布置形式为单个布置或多个悬臂梁阵列布置。
全文摘要
本发明一种硅基压电悬臂梁微型电源装置，属于电子技术和微机电系统领域中的微能源领域。一种硅基压电悬臂梁微型发电装置，有硅质固定框架1、氧化层2、铂/钛下金属层3、压电PZT层4、铂/钛上金属层5、电极绝缘保护层6、振动底座7构成；硅质固定框架1的结构是利用单晶硅湿法腐蚀和干法腐蚀相结合完成加工，其结构连为一体，其中心部分的结构为悬臂梁形状，包括硅悬臂梁a和自由端质量块b；压电电源装置利用微加工工艺集成加工，能够很好的实现电源、微电子器件集成。电源寿命长，结构简单可靠、环保节能。可以实现无线传感网络的多点布置，无须不断更换电源。
文档编号H02N2/18GK101257266SQ20081001013
公开日2008年9月3日 申请日期2008年1月14日 优先权日2008年1月14日
发明者张海军, 涛 李, 杜小振, 褚金奎 申请人:大连理工大学