压电-摩擦电复合式mems宽频能量采集器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于微能源技术领域，具体涉及一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)是由低成本、密集型、随机分布的集成有传感器、数据处理单元和短程无线通信模块的微小节点通过自组织方式构成的网络。借助节点中内置的形式多样的传感器对所在周边环境信号进行感知、采集和监测，最终对我们生活的物理世界实现全方位的监测与控制。低功耗、体积小的无线传感器节点是WSN的基本组成部分，通常由普通化学电池供电。但是，考虑到这些传感器自身携带的电池能量寿命有限且数量众多，并可能安装于某些人类难以接近的应用场景(如结构健康检测、医疗植入式器件等)，使得定期更换电池、再次充电非常困难甚至无法实现。
[0003]目前，环境振动能量采集技术特别是压电式能量采集器是解决以上问题的有效方法之一。但是，现阶段国内外研制的微型振动能量采集器主要集中在单一转换机制，即设计的结构只基于一种俘能机理，这极大地限制了器件的能量采集转换效率，使其难以提供足够高的能量为无线传感器网络节点供电。因此，如何改善和提高器件的能量转换效率和输出性能是微型压电振动能量采集器得以实际应用的关键问题，也是目前研究和关注的热点。通过设计新颖的结构将压电和电磁、静电或其他形式的转换机制集成在一起同时进行复合式能量采集是提高振动能量转换效率的一种有效方法。然而，迄今为止关于复合式能量采集器方面的研究仍极为有限，这是因为把两种能量转换机制集成于同一器件将面临更大的挑战。这种器件含有更多的功能和结构层，如何实现各功能和结构层在制备过程中相互兼容是至关重要的问题。
[0004]经对现有技术文献的检索发现，Bin Yang，Chengkuo Lee等在《Journal ofMicro-Nanolithography MEMS and M0EMS》9 (2010)撰文“Hybrid energy harvesterbased on piezoelectric and electromagnetic mechanisms，，( ‘‘压电一电石兹复合式會^量采集器”《微纳米光刻MEMS和M0EMS期刊》)。该文中提及到的复合式能量采集器，压电机制和电磁机制最大输出功率分别为176PW和0.19μψ,由于电磁和电容转换方式对耦合机制的贡献较少，能量采集的效率仍较低，且存在结构复杂、MEMS工艺制备困难等问题。Xingzhao Wang 等在((The 28th IEEE Internat1nal Conference on Micro ElectroMechanical Systems》 (2015) 撰文“Flexible triboelectric and piezoelectriccoupling nanogenerator based on electrospinning P(VDF-TRFE) Nanowires，，(“基于静电纺丝P(VDF-TRFE)纳米线的柔性摩擦电-压电复合纳米能量采集器”《第28届微机电系统国际会议》)。文中采用柔性PVDF压电材料与摩擦微结构通过叠层组装工艺而成，PVDF较低的压电性能限制了器件的输出，而叠层组装工艺与MEMS工艺难以兼容，从而导致器件较大，实用性不强。【实用新型内容】
[0005]本实用新型目的之一在于为解决现有技术的缺陷，提供了一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器，使换能元件在低频振动环境下获得较大的输出功率，以解决传统的MEMS压电能量采集器输出功率低、频带窄等问题。
[0006]本实用新型提供的一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器包括:压电能量采集器主结构、阻挡块及垫片；
[0007]所述压电能量采集器主结构包括:硅固定基座、第一硅基压电悬臂梁、第二硅基压电悬臂梁、第一质量块及第二质量块；
[0008]所述娃固定基座包括:第一娃层及位于所述第一娃层两侧的二氧化娃层；
[0009]所述第一硅基压电悬臂梁及第二硅基压电悬臂梁都包括:硅悬臂梁支撑层及附于所述硅悬臂梁支撑层上的压电厚膜层；所述硅悬臂梁支撑层包括第二硅层、所述第二硅层上、下表面的二氧化硅层及所述第二硅层上表面二氧化硅层上的支撑层电极层；所述压电厚膜层包括压电厚膜及所述压电厚厚膜表面的电极层；
[0010]所述第一质量块及第二质量块结构相同，包括:集成硅质量块及附于其表面的摩擦层；
[0011]所述阻挡块包括:摩擦层基座、电极层及摩擦层；
[0012]所述垫片位于所述硅固定基座和阻挡块之间。
[0013]进一步的，所述第一硅基压电悬臂梁中间开槽，所述第二硅基压电悬臂梁位于所述开槽内；所述第一硅基压电悬臂梁一端固定在所述硅固定基座上，且另一端为悬空的自由端并与所述第一质量块固定连接，所述第二硅基压电悬臂梁的固定端为所述第一硅基压电悬臂梁的自由端，且另一端悬空并与所述第二质量块固定连接。
[0014]进一步的，所述第一硅基压电悬臂梁及第二硅基压电悬臂梁形状为矩形或梯形。
[0015]进一步的，所述压电厚膜的材料为PZT陶瓷或PMNT压电单晶。
[0016]进一步的，所述压电厚膜电极层及支撑层电极层由Al、Ag、CrAu合金或TiPt合金其中的一种制成。
[0017]进一步的，所述压电厚膜层与硅悬臂梁支撑层通过粘贴胶层实现粘贴键合。
[0018]进一步的，所述粘贴胶层为导电环氧树脂。
[0019]进一步的，所述的阻挡块上的电极层由CrAu合金制成。
[0020]进一步的，所述质量块的摩擦层为表面附有CrAu合金电极层的SU8胶微柱或硅微坑结构，相应的阻挡块的摩擦层为PI膜或PDMS薄膜；或者，
[0021]质量块摩擦层为PI或PDMS薄膜，相应的阻挡块摩擦层为表面附有CrAu合金电极层的SU8胶微柱或硅微坑结构。
[0022]本实用新型还提供了一种压电-摩擦电复合式MEMS宽频能量采集器制备方法，包括如下步骤:
[0023]S1:利用键合和减薄技术在硅片上制备压电厚膜，并制作压电厚膜表面的压电厚膜电极层；
[0024]所述硅片是指上下表面双面抛光且表面热氧化一层二氧化硅的SOI硅片。
[0025]所述的利用键合和减薄技术制备压电厚膜的步骤，具体包括:将单面抛光的压电体材通过环氧键合技术与所述硅片结合，或在所述压电体材抛光面和所述硅片表面沉积一层电极层后，通过共晶键合技术将所述压电体材与所述硅片结合；然后通过机械研磨、抛光方法减薄压电体材，制备出厚度为10Mm-30Mm的压电厚膜；
[0026]所述制作压电厚膜上、下表面覆盖的压电厚膜电极层的具体步骤为:采用1 iftoff方法或先沉积后采用离子铣刻蚀图形化电极。
[0027]S2:利用微加工工艺加工压电能量采集器主结构的正面，所述微加工工艺包括:光刻、显影、湿法Si02刻蚀、压电厚膜刻蚀及体硅加工。
[0028]S3:在所述压电能量采集器主结构的背部制备摩擦层，具体包括如下步骤:
[0029]先在所述压电能量采集器主结构的背部二氧化硅层上沉积一层电极层，然后在该电机层上面采用SU8胶工艺制备微柱摩擦层，并在微柱摩擦层上沉积一层电极层；
[0030]或者，采用机械切割并结合湿法硅刻蚀方法制备硅微坑结构并在该结构上沉积一层电极层；
[0031]或者，采用甩胶方法制备一层PDMS或PI膜；
[0032]S4:在所述压电能量采集器主结构的背部进行微加工，释放硅基压电悬臂梁，具体包括如下步骤:
[0033]先采用湿法腐蚀或干法刻蚀方法图形化背部电极层及二氧化硅，然后采用DRIE深硅刻