一种压电-电磁复合式mems振动能量收集器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种收集环境中振动能量的能量收集器及其制备方法，尤其涉及一种基于MEMS (Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术的压电-电磁复合式振动能量收集器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]物联网在智能交通、医疗健康、环境监测、公共安全及国防军事等国计民生领域应用前景广阔，我国已把物联网作为战略产业加以大力推动。微能源技术负责为物联网的传感器节点提供电源，是物联网发展的关键技术之一。目前普遍采用化学能电池或燃料电池等微能源为节点供电，但是这类电池具有体积大及寿命有限的缺点，需要定期更换或进行燃料补充，而物联网具有传感器节点数众多且分布范围广泛等特点，定期地进行电池更换或维护不具备可行性。而能量收集器通过拾取环境能量(如光、振动等)转化为电能为节点供电。与化学能电池或燃料电池比较，它具有经济、环保且理论上无寿命限制等优点。太阳能、电磁辐射、温差、振动等都是可拾取的环境能源，与其它环境能源相比，振动是一种分布广泛的能量源，因此振动能量收集器具有广阔的发展前景。
[0003]根据不同的转换原理，振动能量收集器包括静电式、压电式及电磁式等三种类型，其中静电式能量收集器需要额外电源预充电才可以将振动能转化为电能，其结构和操作较为复杂。与静电式能量收集器比较，压电式和电磁式能量收集器分别基于压电效应和电磁感应效应实现将振动能转化为电能，具有结构和操作简单的优点。压电式和电磁式能量收集器各有优缺点:压电式能量收集器输出电压高，但输出电流低；电磁式能量收集器恰与之相反。因此，对于压电式和电磁式能量收集器，其输出功率均较低。传统压电式和电磁式能量收集器必须工作在谐振状态才可以获得高的能量收集效率。但是，环境中的振动具有频率成分多且多变的特点，因此，实际中该能量收集器很难工作在谐振状态，其能量收集效率较低；此外，传统的压电式和电磁式能量收集器往往仅能收集单一方向的振动能量，当工作在振动方向随机变化的环境时，它能收集到的振动能量十分有限，进一步限制了其能量收集效率。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，提出一种结构具有高输出功率以及高振动能量收集效率的压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器及其制备方法。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]—种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器的制备方法，包括如下步骤:
[0007](I)，选用娃作为第一衬底，通过热氧化的方法在第一衬底的上表面和下表面分别生长一层S12;
[0008](2)，以第一衬底上表面和下表面的所述S1J^掩膜，并使用TMAH试剂对第一衬底上表面和下表面分别进行各向异性刻蚀，刻蚀深度为100?300 μ m，刻蚀后在第一衬底的下表面中部和上表面中部分别形成一个凹槽，两个凹槽底部之间的硅层形成方形膜结构，所述方形膜结构的厚度为10?100 μ?? ;
[0009](3)，使用HF溶液去除第一衬底表面的S12,并通过热氧化的方法在第一衬底的上表面以及上表面中部的凹槽底部和周侧区域重新生长100?100nm厚度的S12，形成绝缘层；
[0010](4)，使用溅射工艺在所述绝缘层表面制作一层Pt，作为压电电极；
[0011](5)，使用溅射工艺在所述压电电极上制作一层200?2000nm厚度的PZT ；
[0012]￠)，使用溅射工艺在所述PZT上沉积一层Pt，作为压电电极；
[0013](7)，对所述PZT进行极化使其具备压电特性，形成压电层；
[0014](8)，使用增强型化学气相沉积的方法在步骤(6)制备的所述压电电极上制作一层100?100nm厚度的S12，形成绝缘层；
[0015](9)，通过溅射在步骤(8)制备的绝缘层上依次制作一层Ti以及一层Cu，作为制作电感线的种子层；
[0016](10)，通过喷涂法在所述Cu的表面形成一层光刻胶并光刻，定义出电感线层的图形，电感线层包括若干根间隔设置的电感线；
[0017](11)，通过电镀的方法在已定义出的电感线层图形的区域生长10?30 μ m厚度的Cu ；
[0018](12)，通过刻蚀去除光刻胶以及被光刻胶覆盖的所述种子层，形成电感线层；
[0019](13)，通过增强型化学气相沉积的方法在所述电感线层位于凹槽内的区域上制作一层I?10 μ??的S12并光刻，形成绝缘层；
[0020](14)，按照步骤(1)-(13)，在第二衬底上表面中部和下表面中部分别形成一个凹槽，两个凹槽底部之间的硅层形成方形膜结构，然后在第二衬底的下表面以及下表面中部的凹槽的底部和周侧依次制备绝缘层、压电电极、压电层、压电电极、绝缘层、电感线层，然后在电感线层位于凹槽内的区域上制备绝缘层；
[0021](15)，将可动永磁体置于第一衬底上表面的凹槽内，然后将第二衬底下表面的凹槽正对第一衬底上表面的凹槽，所述第一衬底和第二衬底上的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接并通过Cu-Cu之间共晶键合形成螺旋电感，第一衬底上表面的凹槽和第二衬底下表面的凹槽共同形成空腔。
[0022]—种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器，包括第一衬底，在所述第一衬底下表面中部开有第一凹槽，在所述第一衬底上表面中部开有第二凹槽，第一凹槽底部和第二凹槽底部之间的衬底区域形成第一方形膜结构；在所述第一衬底的上表面以及第二凹槽的底部和周侧由内向外依次设有第一绝缘层、第一压电电极、第一压电层、第二压电电极、第二绝缘层、第一电感线层，所述第一电感线层包括若干根间隔设置的电感线，每根电感线的中部位于第二凹槽内，每根电感线的首端和尾端分别位于第二凹槽外部，在所述第一电感线层位于第二凹槽内区域的表面设有第三绝缘层；
[0023]第二衬底，在所述第二衬底上表面中部开有第三凹槽，在所述第二衬底下表面中部开有第四凹槽，第三凹槽底部和第四凹槽底部之间的衬底区域形成第二方形膜结构；在所述第二衬底的下表面以及第四凹槽的底部和周侧由内向外依次设有第四绝缘层、第三压电电极、第二压电层、第四压电电极、第五绝缘层、第二电感线层，所述第二电感线层包括若干根间隔设置的电感线，每根电感线的中部位于第四凹槽内，每根电感线的首端和尾端分别位于第四凹槽外部，在所述第二电感线层位于第四凹槽内区域的表面设有第六绝缘层；
[0024]所述第二衬底设置于第一衬底上方，所述第二凹槽和第四凹槽共同形成空腔，所述第一电感线层与所述第二电感线层的电感线的首端和尾端之间以跨接方式连接形成螺旋电感，所述空腔内设有可动永磁体。
[0025]进一步的，所述第一电感线层和第二电感线层由一层Ti和一层Cu复合构成，第一电感线层和第二电感线层的电感线的首端和尾端之间通过Cu-Cu之间共晶键合。
[0026]进一步的，所述可动永磁体为球体或圆柱体。
[0027]进一步的，所述第一衬底和第二衬底为硅衬底，所述第一绝缘层、第二绝缘层、第四绝缘层以及第五绝缘层均为厚度在100?100nm的S12，所述第三绝缘层和第六绝缘层均为厚度在I?10 μπι的S12，所述第二凹槽和第四凹槽的深度在100?300 μm，所述第一方形膜结构和第二方形膜结构厚度为10?100 ym。
[0028]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0029]1、本发明的能量收集器结合了压电式和电磁式能量收集器的优点，可实现高的输出电压及高的输出电流，获得高的输出功率。
[0030]2、在振动环境中，本发明能量收集器的拾振结构可在腔体内自由运动，为非谐振式的拾振结构，与传统压电式或电磁式能量收集器中谐振式的拾振结构相比，其运动情况(如运动幅度等)受环境振动频率的影响小，并且能够响应不同方向的环境振动。无论振动频率和振动方向如何变化，本发明的能量收集器都能高效地收集到振动能量并转换为电能，因此，本发明的能量收集器具有高的能量收集效率。
[0031]3、本发明的能量收集器中的电磁式能量收集结构与压电式能量收集结构呈堆叠分布，并且共用相同的拾振结构(可动永磁