一种宽频振动能量采集器结构及其制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种振动能量采集器的制造方法，包括以下步骤：提供上框架和下框架，并分别在上框架的下表面和下框架的上表面形成金属层；提供压电薄膜，并在其表面形成金属层；利用下框架和上框架将压电薄膜固定在中间，形成三明治结构；在压电膜中间位置设置质量块。相应地，本发明还提供了一种振动能量采集器结构。本发明通过质量块振动使压电薄膜发生大形变，利用有机压电薄膜的非线性弹性形变实现宽频率范围的振动能量采集，并将其转化成电能输出，进而有效地提高了振动能量采集器的性能。
【专利说明】一种宽频振动能量采集器结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子机械系统加工领域，尤其涉及一种新型的宽频振动能量采集器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]近年来，电子设备和传感器等系统应用范围不断扩大，而传统的供电方式，如电化学电池等存在着寿命短、需要经常更换、存储能量有限等缺点。因此，新的供电技术的研究就显得非常迫切。振动能是自然环境中广泛存在的一种能量，振动式能量采集器即是一种将环境中的振动能收集转化成电能输出的微小器件。基于振动的能量采集方法一般有三种:压电式、静电式和电磁式。相对于静电、电磁式，压电能量采集器具有结构简单、能量密度闻、寿命长等优点而备受:关注。
[0003]由于多数振动能量采集器只能工作在共振状态，在现有技术中，多数振动能量采集器采用的是悬臂梁结构，采用这种结构其设计尺寸是一定的，因而其固有频率也一定，这就导致了能量采集的工作频带较窄，从而限制了其应用。因此，急需一种能在较宽的频带内对振动能量进行采集的系统。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种可以解决上述问题的宽频的振动能量采集器及其制造方法。
[0005]根据本发明的一个方面，提供了一种振动能量采集器的制造方法，该制造方法包括以下步骤:
[0006]a)提供上框架、下框架，并分别在上框架的下表面和下框架的上表面形成金属层；
[0007]b)提供压电薄膜，并在其表面形成金属层；
[0008]c)利用下框架和上框架将压电薄膜固定在中间，形成三明治结构；
[0009]d)在压电膜中间位置设置质量块。
[0010]根据本发明的另一个方面，还提供了一种振动能量采集器结构，包括:
[0011]下框架；
[0012]压电薄膜，位于所述下框架上方；
[0013]上框架，位于所述压电薄膜的上方，且与所述下框架将压电薄膜固定在中间，形成三明治结构；
[0014]质量块，位于所述压电薄膜中间位置的上方。
[0015]与现有技术相比，采用本发明提供的技术方案具有如下优点:通过质量块振动使压电薄膜发生大形变，利用有机压电薄膜的非线性弹性形变实现宽频率范围的振动能量采集，并将其转化成电能输出，进而有效地提高了振动能量采集器的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]通过阅读参照以下附图所作的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。
[0017]图1为根据本发明的实施例的振动能量采集器结构制造方法的流程图；
[0018]图2至图7为按照图1所示流程制造振动能量采集器结构的各个阶段的剖面示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面详细描述本发明的实施例。
[0020]所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。
[0021]根据本发明的一个方面，提供了一种振动能量采集器的制造方法。下面，将结合图2至图7通过本发明的一个实施例对图1形成振动能量采集器的方法进行具体描述。如图1所示，本发明所提供的制造方法包括以下步骤:
[0022]在步骤SlOl中，提供下框架101和上框架102，并分别在下框架101的上表面和上框架102的下表面形成金属层103。
[0023]具体地，如图2所示，首先提供用于制作上框架和下框架结构的材料。在本实施例中，用于制作上框架和下框架结构的材料是体硅片100。在其他实施例中，也可应用其它可以进行微机械加工，同时电学性能符合要求的材料，例如陶瓷材料、高分子聚合材料等。在接下来的介绍中，将采用体硅片作为例子对下面的步骤进行说明。
[0024]首先，在整块体硅片的基础上通过激光划片的方式对其进行加工，在其他实施例中也可选用其他微机械加工方式进行加工。加工出的下框架101和上框架102具有非对称的边框结构，如图3所示。
[0025]在加工出需要的边框结构后，即可在下框架101的上表面和上框架102的下表面形成金属层103，如图4所示。在本实施例中选用的金属材料是Al，在其它实施例中，本领域的人员也可选用其它可用于金属键合工艺，并形成导电接触的金属或合金材料。在本实施例中，金属层103是通过溅射工艺在下框架101的上表面和上框架102的下表面形成的均匀的金属层103。
[0026]在步骤S102中，提供压电薄膜104，并在其表面形成金属层105。
[0027]具体的，所述压电薄膜是一种具有压电特性和一定机械性能的薄膜。当压电薄膜被拉伸或弯曲时，薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号(电荷或电压)，并且同拉伸或弯曲的形变成比例，进而机械信号就可变成电信号，也可作为电能输出。在本发明中是利用压电薄膜的这种压电特性来将机械能转化为电能。在本实施例中所选用的压电薄膜是一种具有压电特性的有机薄膜。利用其非线性弹性形变可以实现宽频率范围内的振动能量采集。在其它实施例中，本领域人员也可选用其他具有压电特性和非线性弹性形变的薄膜。
[0028]在选定压电薄膜后，随后在压电薄膜的两侧表面形成金属层105，如图5所示。在本实施例中所述金属层105的材料和形成工艺同步骤SlOl中框架上的金属层103所用相同，即用溅射的方式均匀淀积一层金属Al。在其它实施例中，也可选用其它可以同金属层103的金属材料进行可靠金属键合的金属或合金材料。
[0029]在步骤S103中，利用下框架101和上框架102将压电薄膜104固定在中间，形成三明治结构。
[0030]具体的，将步骤SlOl中所述的上、下框架结构中形成有金属层103的一面对准压电薄膜，这样就可以利用上框架102、下框架101将压电薄膜104固定在中间，如图6所示。在本实施例中选用在框架结构的金属层103和压电薄膜的金属层105相互接触的部位进行导电性键合的方式来将两部分进行固定。用这种方式进行固定可以保证上框架102与压电膜薄104、下框架101与压电薄膜104之间均有良导电性。在其它实施例中，本领域人员易知任何可以将两部分金属层固定在一起，形成具有一定机械强度和电的良导性的键合方式均可以选用。
[0031]在步骤S104中，在压电薄膜中间位置设置质量块106。
[0032]具体点，如图7所示，质量块106被设置在压电薄膜中间位置的上方，用于感知环境中的机械振动。因为质量块具有相对薄膜大得多的质量，对环境加速度的变化反应更大，当其与压电薄膜相连时就可以带动压电薄膜进行大幅度的振动，进而形成更强的电荷积累效应，输出更多的电能。
[0033]为了确保质量块106压电薄膜104之间具有高强度的黏附效果，在本实施例中采用的是使用强力胶来进行连接。在其他实施例中，也可选用其它任何可形成高强度黏附效果的连接方式。
[0034]在本实施例中所选用质量块106的材料是Ni，在其他实施例中也可选用其它适用于加工工艺的材料来加工质量块。
[0035]随后按照常规振动能量采集器制造工艺如封装、引线等步骤完成该振动能量采集器的制造。
[0036]与现有技术相比，本发明具有以下优点:通过质量块振动使压电薄膜发生大形变，利用有机压电薄膜的非线性弹性形变实现宽频率范围的振动能量采集，并将其转化成电能输出，进而有效地提高了振动能量采集器的性能。
[0037]根据本发明的另一个方面，还提供了一种振动能量采集器结构，请参考图7。如图所示，该能量采集器结构包括:
[0038]下框架101 ；
[0039]压电薄膜104，位于所述下框架101上方；
[0040]上框架102，位于所述压电薄膜104的上方，且与所述下框架101将压电薄膜104固定在中间，形成三明治结构；
[0041]质量块106，位于所述压电薄膜104中间位置的上方。
[0042]具体地，在在本实施例中，用于制作上框架和下框架结构的材料是体硅片100。在其他实施例中，也可应用其它可以进行微机械加工，同时电学性能符合要求的材料，例如陶瓷材料、高分子聚合材料等。
[0043]所述下框架101和上框架102具有非对称的边框结构，如图3所示。同时，所述下框架101的上表面和上框架102的下表面还形成有金属层103。在本实施例中选用的金属材料是Al，在其它实施例中，本领域的人员也可选用其它可用于金属键合工艺，并形成导电接触的金属或合金材料。
[0044]在本实施例中所选用的压电薄膜是一种具有压电特性的有机薄膜。利用其非线性弹性形变可以实现宽频率范围内的振动能量采集。在其它实施例中，本领域人员也可选用其他具有压电特性和非线性弹性形变的薄膜。在所述压电薄膜104的两侧还形成有金属层105。
[0045]在所述压电薄膜104、下框架101和上框架102形成的三明治结构中，接触部位具有一定机械强度和电的良导性。
[0046]所述质量块106压电薄膜104之间具有高强度的黏附效果。
[0047]本发明所提供的振动能量采集器结构利用了有机压电薄膜的非线性弹性形变特性，因此实现了宽频范围的振动能量采集。
[0048]虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
[0049]此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
【权利要求】
1.一种振动能量采集器结构的制造方法，该方法包括以下步骤: a)提供下框架(101)和上框架(102)，并分别在下框架(101)的上表面和上框架(102)的下表面形成金属层(103)； b)提供压电薄膜(104)，并在其表面形成金属层(105)； c)利用下框架(101)和上框架(102)将压电薄膜(104)固定在中间，形成三明治结构； d)在压电薄膜中间位置设置质量块(106)。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述下框架(101)和上框架(102)是具有非对称边框结构的体硅片。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的制造方法，其中体硅片的非对称边框结构是用激光划片的或者KOH溶液腐蚀方式加工而成。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其中步骤a)和步骤b)所述的框架上的金属层(103)和压电薄膜上的金属层(105)是通过溅射或者蒸发金属薄膜的方式形成的。
5.根据权利要求1中步骤c)所述的制造方法，利用上框架(102)、下框架(101)对压电薄膜(104)进行固定的方式是在相互接触的部位进行导电性键合。
6.根据权利要求5中所述的制造方法，在进行导电性键合之后，上框架(102)与压电膜薄(104)、下框架(101)与压电薄膜(104)之间均有良导电性。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其中压电薄膜(104)是具有压电特性的有机薄膜。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其中步骤b)所述的压电薄膜(104)两侧均形成有金属层(105)。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其中步骤d)所述的质量块(106)与压电薄膜(104)使用强力胶形成高强度黏附。
10.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述质量块(106)的材料是Ni。
11.一种震动能量采集器结构，包括: 下框架(101)； 压电薄膜(104)，位于所述下框架(101)上方； 上框架(102)，位于所述压电薄膜(104)的上方，且与所述下框架(101)将压电薄膜(104)固定在中间，形成三明治结构； 质量块(106)，位于所述压电薄膜(104)中间位置的上方。
12.根据权利要求11所述的震动能量采集器结构，其中所述上框架(102)和下框架(101)具有非对称的边框结构。
13.根据权利要求11所述的震动能量采集器结构，其中上框架(102)与压电膜薄(104)、下框架(101)与压电薄膜(104)之间通过导电性键合的方式固定。
14.根据权利要求11所述的振动能量采集器结构，其中所述质量块(106)与压电薄膜(104)之间使用强力胶形成高强度黏附。
【文档编号】H02N2/18GK104426424SQ201310385405
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2013年8月29日
【发明者】李志刚, 欧毅, 欧文, 陈大鹏, 叶甜春 申请人:中国科学院微电子研究所