一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微机电技术领域，尤其涉及一种基于微加工技术的压电电磁集成发电
目.0
【背景技术】
[0002]微机电系统是指尺寸在几厘米以下的小型装置，它是一个独立的智能系统，主要由传感器、执行器和微能源三大部分组成。微机电系统因具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、能实现复杂功能、可批量制作、可集成的特点，使其在现代工业、农业、交通、生物、医学、航空、航天以及日常生活和家电领域拥有越来越广阔的应用前景。
[0003]微机电系统的设计、制造、集成化、封装、可靠性测试等共性技术推动了其发展，市场的需求带动了微机电系统的进步，而微机电技术与微米、纳米技术的结合，则给微机电系统带来了许多新的机遇和发展前景。利用微加工技术制作的MEMS产品已经广泛应用于无线传感网络、医疗与卫生、生物、环境监测、气象预报、信息通信和矿井检测等领域。随着MEMS无线传感器和MEMS器件的发展，它们的体积越来越小，功能越来越强，保障这些MEMS设备正常工作消耗的能量也随之增多，于是，供能已成为亟待解决的重点问题。目前，大部分微机电系统的供电仍采用微型化学电池，化学电池的性质决定了其寿命有限，因此，需要定期更换化学电池，以保证设备的正常工作。然而，随着MEMS设备的体积越来越小、结构设计越来越精密，微型化学电池的更换变得越来越困难。因此，替代传统微型化学电池，利用MEMS器件从工作环境中采集能量为微机电系统供能成为近些年广泛研宄的方向。振动型能量采集器是一种将振动能转化为电能的一种能量采集器件，因为几乎所有的器件、系统都在一定的振动环境下工作，所以振动型能量采集器得到了广泛的发展。现有的采用从环境中普遍存在的振动能驱动发电的微能源，其能量转换形式以压电式和电磁式为主，压电式微能源具有输出电压高、结构简单、易与包含硅体的微电子传感器集成和所需外围能量控制器件较少等优点，但其输出电流较低；电磁式微电源输出电流较大，但输出电压较低。因此，如何将压电和电磁两种能量转换结构集成在一个系统中，以实现微电源的能量转换效率和能量密度，成为本领域亟待解决的问题。
[0004]此外，MEMS器件从实验室走出投入到市场，进而得到实际应用的关键一步是MEMS封装，根据国外多项统计表明，MEMS封装成本占总制造成本的60 %至80 %。MEMS封装一般具有以下特点:器件结构多样性、器件功能多样性、器件材料多样性、器件工艺多样性等等。有些高级MEMS器件还需要在真空环境下工作，这时就需要对MEMS器件进行真空封装。真空封装技术是一个多年来未能攻克的技术难题，许多很有创意、具有潜在市场应用的MEMS器件由于没有可靠的真空封装技术，只能停留在实验室做功能演示。
[0005]由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提尚。
【发明内容】
[0006]本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种可实现发电装置的集成制造和真空封装，并可有效地将环境中的振动能转化为电能的基于微加工技术的压电电磁集成发电装置。
[0007]本发明所采用的技术方案为:
[0008]一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，包括衬底，衬底的上方设置有外壳和盖板，外壳的上部和下部均为开口结构，外壳的底端与衬底的上端面相键合，外壳的顶端与盖板的下端面之间设置有相互键合的焊片和金属环片，焊片的顶端与盖板的下端面相键合，金属环片的底端与外壳的顶端相键合，所述盖板、焊片、金属环片、外壳及衬底之间配合形成真空腔室，真空腔室内设置有边框，边框上设置有基板，基板上设置有压电发电机构和电磁发电机构。
[0009]所述真空腔室内加入吸气剂。
[0010]所述基板为PCB板，其中央开设有正方形的通口，所述压电发电机构包括硅基压电悬臂梁硅片单元，该硅基压电悬臂梁硅片单元包括第一硅层、下电极片、硅基压电悬臂梁和上电极片，硅基压电悬臂梁有四根，每根硅基压电悬臂梁均呈L型，四根硅基压电悬臂梁的中间设置有一块定位平台，定位平台的下端面上设置有圆柱形永磁铁，永磁铁与衬底的上端面之间留有振动间隙，第一硅层设置在基板的下端面上，下电极片位于第一硅层的下方，硅基压电悬臂梁位于上、下电极片之间，各硅基压电悬臂梁的短边上均设置有上电极引线点和下电极引线点；所述电磁发电机构包括微型平面感应线圈硅片单元，该微型平面感应线圈硅片单元包括第二硅层和微型平面感应线圈，第二硅层设置在基板的上端面上，微型平面感应线圈设置在第二硅层的下端面上且位于上述通口中间，微型平面感应线圈上设置有正极引线点和负极引线点，第二硅层的中央开设有引线孔；所述基板的下端面上设置有硅基压电悬臂梁接线点，基板的上端面上设置有微型平面感应线圈接线点。
[0011]第一硅层包括呈方框状的外围硅片，外围硅片的面积大于上述通口的面积，外围硅片的上端面与基板的下端面固连，外围硅片的内圈设置有与四根硅基压电悬臂梁和定位平台的安装形状相适配的内侧硅片；第一硅层的下表面上设置有第一二氧化硅层，上电极片和硅基压电悬臂梁之间设置有PZT压电材料层；第二硅层与微型平面感应线圈之间设置有第二二氧化硅层。
[0012]所述永磁铁采用烧结钕铁硼N-30作为永磁材料，永磁铁通过AB胶粘附在定位平台的中央。
[0013]所述硅基压电悬臂梁的末端内外拐角处呈45 °圆角。
[0014]所述硅基压电悬臂梁硅片单元与微型平面感应线圈硅片单元之间通过低温超声阳极键合工艺键合，使硅基压电悬臂梁与微型平面感应线圈之间保持500um至100um的距离。
[0015]所述上、下电极片均由Pt制成，在溅射Pt之前，需先在PZT压电材料层以及第一二氧化硅层上溅射一层50nm的Ti作为结合层；所述微型平面感应线圈与第二二氧化硅层之间溅射有一层40nm的Ti作为结合层。
[0016]所述衬底是由硅制成的，衬底的上端面镀有Au膜，形成与外部连接的薄膜型金属化布线，金属化布线的两端设置引线键合焊盘，上述压电发电机构的引线和电磁发电机构的引线通过热声键合工艺与引线键合焊盘相键合以实现能量的输出。
[0017]所述外壳是由陶瓷制成的，外壳的底端镀有Au膜；所述盖板的下表面和金属环片的上表面均镀有Ni和Au，金属环片通过共晶键合工艺键合在外壳的顶端面上，所述焊片为金锡焊料；所述边框的截面呈U型，边框是由陶瓷制成的，边框的下端面镀有Au膜，边框的下端面通过共晶键合工艺键合在衬底的上端面上，边框与外壳内壁之间、边框与盖板的下端面之间均留有间隙。
[0018]本发明还公开了一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置的制备方法，该制备方法包括如下步骤:
[0019]步骤1:制作四根硅基压电悬臂梁，各硅基压电悬臂梁呈L型，各硅基压电悬臂梁的末端内外拐角处均呈45°圆角，且硅基压电悬臂梁长的部分为3.5mm，短的部分为600um，厚度为lOOum，宽度为300um ;将四根硅基压电悬臂梁相对放置，并在四者形成的包围圈的中央处设置定位平台；
[0020]步骤2:制备掩膜版，选取100型硅片，对其单面进行抛光形成第一硅层，采用标准清洗，烘干后对抛光的第一硅层的表面进行热氧化形成第一二氧化硅层；
[0021]步骤3:甩正胶BP212、前烘、光刻、显影、后烘，用氢氟酸腐蚀第一硅层背面的第一二氧化硅层，去正胶，使用掩膜版，用KOH溶液刻蚀第一硅层另一面的硅杯，预留硅基压电悬臂梁释放的厚度为90um，双面对准刻蚀第一二氧化硅层从而释放出窗口图形；
[0022]步骤4:通过溅射工艺，在第一二氧化硅层表面先溅射一层50nm的Ti作为结合层，然后在结合层上溅射200nm的Pt ;甩负胶BN30