基于微机电系统的摩擦纳米发电机及其制备方法

本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，特别是涉及一种基于微机电系统的摩擦纳米发电机及其制备方法。

背景技术：

基于摩擦起电和静电感应原理，摩擦纳米发电机能够将机械能转化为电信号。由于具有高输出电压的特性，摩擦纳米发电机被广泛应用于高灵敏力学传感设备。但是，传统的摩擦纳米发电机的制备方法极大地限制了其微型化以及集成化，进而限制了未来基于摩擦纳米发电机产品的商业化。

目前，所有的摩擦纳米发电机都是通过手工制备，这种制备方法带来几个问题：一是生产效率低下；二是器件尺寸会比较大；三是制备误差较大，即使同一批器件之间，输出也有较大差异；四是传统的摩擦纳米发电机难以与后端电路集成；五是摩擦纳米发电机的摩擦层之间被暴露在外界环境中，环境因素(如温度，湿度等)会对器件输出造成影响。以上原因都限制了摩擦纳米发电机被真正投入实际使用。

并且，目前的超声波能量及信号传输主要使用压电材料(pzt)制成的超声波传感器或者静电式超声传感器。压电材料已经发展多年，已经有成熟的加工工艺，用于超声波能量及信号传输时，虽然具有较高的能量转化效率，但压电材料难以实现微型化和集成化。静电式超声传感器需要较高的支流偏压才能有高能量转换效率，因此应用范围上受限。

现有的基于摩擦纳米发电机的声波接收器都是手工制备，目前被报道的最高能量转换效率能达到60％。但由于手工制备过程中误差巨大，摩擦纳米发电机体积难以实现微型化，也难以实现稳定可靠的电信号输出。

技术实现要素：

本发明的一个目的是要解决现有技术中的摩擦纳米发电机输出信号不稳定的问题。

本发明一个进一步的目的是要提供一种微型化、集成化的摩擦纳米发电机，缩小摩擦纳米发电机的体积，增强摩擦纳米发电机与其他电子器件的集成度。

特别地，本发明提供了一种基于微机电系统的摩擦纳米发电机，包括：

基底；

摩擦层，其内限定有真空腔，所述摩擦层设在所述基底上，所述摩擦层包括键合连接的第一摩擦本体和第二摩擦本体，所述第一摩擦本体和第二摩擦本体之间限定出所述真空腔，所述摩擦层配置成当外界有入射声波能量传送至所述第二摩擦本体时，驱动所述第二摩擦本体在所述真空腔内振动，且在所述第二摩擦本体与所述第一摩擦本体接触后产生电信号；

电极，分别设在所述基底和所述摩擦层上以形成底电极和顶电极；

导线，分别与所述底电极和顶电极连接以导出所述电信号。

进一步地，所述基底为导电硅片，所述第一摩擦本体为氧化硅，所述第二摩擦本体为硅膜，所述第一摩擦本体设在所述基底上，且所述第一摩擦本体的截面为开口向上的匚形，所述第二摩擦本体键合在所述第一摩擦本体上且封闭所述第一摩擦本体的自由端，以与所述第一摩擦本体之间限定出所述真空腔。

进一步地，在所述第二摩擦本体上还设置有高效摩擦涂层，以提高所述摩擦纳米发电机的输出功率。

进一步地，所述第一摩擦本体和所述第二摩擦本体之间限定出的所述真空腔形成为柱状。

进一步地，所述摩擦纳米发电机为多个，多个所述摩擦纳米发电机并联连接。

进一步地，在大气压下，第二摩擦本体在真空腔内沿水平方向向下凹陷的最大静态形变量以下式表示：

其中，w为所述第二摩擦本体的最大静态形变量，d为所述第二摩擦本体的抗挠刚度，e为所述第二摩擦本体的杨氏模量，h为所述第二摩擦本体的厚度，v是所述第二摩擦本体的膜材料的泊松比，p0为大气压，a为第二摩擦本体的半径。

进一步地，所述摩擦纳米发电机在空气环境中，所述第二摩擦本体的第一共振频率为：

在水环境中，所述第二摩擦本体的第一共振频率为：

其中，r是所述第二摩擦本体的半径，h是所述第二摩擦本体的厚度，ρ是所述第二摩擦本体的膜材料的密度，e是所述第二摩擦本体的膜材料的杨氏模量，ν是所述第二摩擦本体的膜材料的泊松比，ρw是水密度。

本发明还提供一种摩擦纳米发电机的制备方法，用于制备上述实施例中的基于微机电系统的摩擦纳米发电机，所述制备方法包括如下步骤：

提供一基底，并在所述基底上设置第一摩擦本体；

在所述第一摩擦本体上刻蚀出窗口；

将soi片与所述第一摩擦本体键合连接以封闭所述窗口，封闭的所述窗口形成为真空腔；

对所述soi片进行刻蚀处理以形成便于在所述真空腔内振动的第二摩擦本体；

在所述基底上刻蚀出底电极，在所述第二摩擦本体上通过电子束沉积和剥离技术形成顶电极；

将导线通过金属沉积固定在所述底电极与所述顶电极上。

进一步地，所述基底为导电硅片，所述第一摩擦本体为氧化硅，在所述基底上设置第一摩擦本体包括：

在所述基底上采用热氧化方法形成所述第一摩擦本体。

进一步地，将所述soi片与所述第一摩擦本体键合连接以封闭所述窗口，封闭的所述窗口形成为真空腔的步骤包括：

在真空环境中，将所述soi片与所述第一摩擦本体进行键合处理以封闭所述窗口；

将键合后的所述soi片与所述第一摩擦本体在氢气氛围中进行退火处理。

进一步地，对所述述soi片进行刻蚀处理以形成便于在所述真空腔内振动的第二摩擦本体的步骤包括：

利用反应离子刻蚀和湿法刻蚀相结合的方法去除所述soi片中的底层硅；

去除所述soi片中的氧化硅绝缘层，留下硅器件层作为所述第二摩擦本体以形成便于在所述真空腔内振动的硅悬膜。

本发明的摩擦纳米发电机，利用微机电加工技术，将第一摩擦本体和第二摩擦本体采用直接键合技术形成具有真空腔的摩擦层，通过构建真空腔，使摩擦发生在真空环境中，保证摩擦纳米发电机的电信号的输出不受外界环境的影响，提高摩擦纳米发电机的输出信号的稳定性。

进一步地，本发明的摩擦纳米发电机，通过直接键合形成摩擦层有利于形成微型化和集成化的摩擦纳米发电机，不仅极大地缩小了摩擦纳米发电机的体积，还增强了摩擦纳米发电机与其他电子器件的集成度。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的摩擦纳米发电机的摩擦层的起始状态图；

图3是根据本发明实施例的摩擦纳米发电机的摩擦层的工作状态图；

图4是根据本发明实施例的多个摩擦纳米发电机的并联连接示意图；

图5是根据本发明实施例的摩擦纳米发电机的制备方法的流程示意图；

图6是根据本发明实施例的摩擦纳米发电机的制备方法的制作过程示意图；

图7是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的产生的电信号图；

图8是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的输出功率示意图；

图9是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的20个周期的脉冲信号的驱动信号下产生的电信号图；

图10是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的50个周期的脉冲信号的驱动信号下产生的电信号图。

附图标记：

摩擦纳米发电机100；

基底10；

摩擦层20；第一摩擦本体21；窗口211；第二摩擦本体22；真空腔23；

底电极31；顶电极32；

soi片40；硅器件层41；氧化硅绝缘层42；底层硅43。

具体实施方式

参见图1至图3，本发明的基于微机电系统的摩擦纳米发电机100主要由基底10、摩擦层20、电极和导线组成。其中，摩擦层20内限定有真空腔23，摩擦纳米发电机100在真空腔23内发生摩擦，使摩擦发生在真空环境中，保证摩擦纳米发电机100的电信号的输出不受外界环境的影响，提高摩擦纳米发电机100的输出信号的稳定性。

摩擦层20可以复合在基底10上，摩擦层20主要由键合连接的第一摩擦本体21和第二摩擦本体22组成，利用微机电加工技术，将第一摩擦本体21和第二摩擦本体22采用直接键合技术形成摩擦层20，摩擦层20的第一摩擦本体21和第二摩擦本体22之间配合限定出真空腔23。通过直接键合而成摩擦层20有利于形成微型化和集成化的摩擦纳米发电机100，不仅极大地缩小了摩擦纳米发电机100的体积，还增强了摩擦纳米发电机100与其他电子器件的集成度。

本发明的摩擦纳米发电机100中的摩擦层20配置成当外界有入射声波能量传送至第二摩擦本体22时，如图3所示，驱动第二摩擦本体22在真空腔23内振动，且在第二摩擦本体22与第一摩擦本体21接触后产生电信号。具体来说，本发明的摩擦纳米发电机100可以看作是一个微型平行板电容器，第二摩擦本体22可以悬在真空腔23上，当外界有入射声波能量传送至第二摩擦本体22时，使第二摩擦本体22沿真空腔23的高度方向上下振动。在本发明中通过控制真空腔23的高度，可以实现第二摩擦本体22振动时接触第一摩擦本体21，从而实现接触起电。在第二摩擦本体22不断振动并与第一摩擦本体21充分接触后产生电信号。由于该接触起电的过程发生在真空腔23内，可以有效保证摩擦纳米发电机100的电信号的输出不受外界环境的影响，提高摩擦纳米发电机100的输出信号的稳定性。

参见图1，电极可以分别形成在基底10和摩擦层20上，其中形成在基底10上的电极为底电极31。形成在摩擦层20上的电极为顶电极32。导线分别与底电极31和顶电极32连接以导出电信号。

由此，根据本发明的基于微机电系统的摩擦纳米发电机100，利用微机电加工技术，将第一摩擦本体21和第二摩擦本体22采用直接键合技术形成具有真空腔23的摩擦层20，通过构建真空腔23，使摩擦发生在真空环境中，保证摩擦纳米发电机100的电信号的输出不受外界环境的影响，提高摩擦纳米发电机100的输出信号的稳定性。并且本发明的摩擦纳米发电机100，通过直接键合形成摩擦层20有利于形成微型化和集成化的摩擦纳米发电机100，不仅极大地缩小了摩擦纳米发电机100的体积，还增强了摩擦纳米发电机100与其他电子器件的集成度。

根据本发明的一个实施例，参见图3和图6，基底10可以采用导电硅片，导电硅片可以是掺杂的导电硅片(如p掺杂导电硅片)，也可以是非掺杂的导电硅片。第一摩擦本体21可以形成为氧化硅，第二摩擦本体22可以采用硅膜。具体来说，基底10的表面可以通过热氧化方法生长出一层厚度为数百纳米的氧化硅作为第一摩擦本体21，并且第一摩擦本体21可以通过刻蚀形成截面为开口向上的匚形。第二摩擦本体22可以通过直接键合技术键合在第一摩擦本体21上，同时通过第二摩擦本体22封闭第一摩擦本体21的自由端，以与第一摩擦本体21之间限定出真空腔23，并使第二摩擦本体22的边界被完全限制。在本申请中，以硅和氧化硅作为摩擦材料，当外界有入射声波能量传送至硅膜时，使硅膜沿真空腔23的高度方向上下振动，并在硅膜振动时接触氧化硅，从而实现接触起电。由于该接触起电的过程发生在真空腔23内，可以有效保证摩擦纳米发电机100的电信号的输出不受外界环境的影响，提高摩擦纳米发电机100的输出信号的稳定性。优选地，在第二摩擦本体22(硅膜)的表面还可以增加一层高效摩擦涂层，其中高效摩擦涂层可以采用聚四氟乙烯，通过在第二摩擦本体22的表面增加高效摩擦涂层可以有效提高摩擦纳米发电机100的输出功率。

根据本发明的一个实施例，参见图4，真空腔23形成为柱状。也就是说，真空腔23可以刻蚀成圆柱腔，第二摩擦本体22(硅膜)的截面可以形成与真空腔23相对应的圆形。圆形的硅膜可以减少边界应力对第二摩擦本体22振动的影响。同时，在本发明中为了增大摩擦纳米发电机100的输出功率，可以将本发明的摩擦纳米发电机100设计成多个，多个摩擦纳米发电机100并联连接。也就是说，本发明可以将成千上百个微米尺寸的微型的摩擦纳米发电机100并联连接，以便于增大摩擦纳米发电机100的输出功率。

在本发明的一些具体实施方式中，在大气压下，第二摩擦本体22在真空腔23内沿水平方向向下凹陷的最大静态形变量以下式表示：

其中，w为第二摩擦本体22的最大静态形变量，d为第二摩擦本体22的抗挠刚度，e为第二摩擦本体22的杨氏模量，h为第二摩擦本体22的厚度，v是第二摩擦本体22的膜材料的泊松比，p0为大气压，a为第二摩擦本体22的半径。

也就是说，在本发明中，由于第一摩擦本体21和第二摩擦本体22组成的摩擦层20内构件有真空腔23，因此，参见图2，第二摩擦本体22(硅膜)即使在没有入射声波能量的情况下，也会由于膜内外气压差，使第二摩擦本体22朝向第一摩擦本体21的方向凹陷。所以第一摩擦本体21上刻蚀出的真空腔23的深度，要求既不能太深，也不能太浅。如果真空腔23的深度太深，则导致第二摩擦本体22无法接触到第一摩擦本体21，也就无法形成摩擦起电。如果真空腔23的深度太浅，又会导致第二摩擦本体22在无论有无入射声波能量的情况下，自然塌陷并接触到第一摩擦本体21。本发明通过采用上述公式可以计算出第二摩擦本体22在真空腔23内沿水平方向向下凹陷的最大静态形变量，需要说明的是，最大静态形变量是指在没有入射声波能量的情况下，第二摩擦本体22在大气压的作用下的自然形变量，这对于本领域技术人员是可以理解的，在本申请中不再详细赘述。因此，本发明的真空腔23的深度只要略大于有上述公式计算出的最大静态形变量即可。在本发明中可以通过改变第二摩擦本体22的厚度等条件，可以相应地设计出符合要求真空腔23的深度，满足商业化生产的需求。

在本发明的一些具体实施方式中，摩擦纳米发电机100在空气环境中，第二摩擦本体22的第一共振频率为：

在水环境中，第二摩擦本体22的第一共振频率为：

其中，r是第二摩擦本体22的半径，h是第二摩擦本体22的厚度，ρ是第二摩擦本体22的膜材料的密度，e是第二摩擦本体22的膜材料的杨氏模量，ν是第二摩擦本体22的膜材料的泊松比，ρw是水密度。

具体来说，本发明的摩擦纳米发电机100可以用于特定频率声波能量的收集，由于本发明的第二摩擦本体22与第一摩擦本体21采用直接键合的连接方式，也就是说，第二摩擦本体22是一种边界完全被限制的悬膜结构，在其第一共振频率下，第二摩擦本体22(悬膜)可以实现最大的振动位移，也具有最大的接触面积，使摩擦纳米发电机100可以达到最大的能量转化效率。本发明通过上述计算公式可以分别计算出摩擦纳米发电机100在不同环境下的第一共振频率，有利于制备出工作频率可调节且能实现最大能量转化的摩擦纳米发电机100。同时根据上述计算公司，可以通过调整悬膜的结构(悬膜的半径、厚度等参数)，控制摩擦纳米发电机100的共振频率，实现摩擦纳米发电机100的最大的能量转化效率。

总而言之，本发明的摩擦纳米发电机100，利用微机电加工技术，将第一摩擦本体21和第二摩擦本体22采用直接键合技术形成具有真空腔23的摩擦层20，通过构建真空腔23，使摩擦发生在真空环境中，保证摩擦纳米发电机100的电信号的输出不受外界环境的影响，提高摩擦纳米发电机100的输出信号的稳定性。并且，本发明的摩擦纳米发电机100，通过直接键合而成摩擦层20有利于形成微型化和集成化的摩擦纳米发电机100，不仅极大地缩小了摩擦纳米发电机100的体积，还增强了摩擦纳米发电机100与其他电子器件的集成度。

本发明还提供一种摩擦纳米发电机100的制备方法，用于制备上述实施例中的基于微机电系统的摩擦纳米发电机100，该制备方法包括如下步骤：

s1、提供一基底，并在基底上设置第一摩擦本体；

s2、在第一摩擦本体上刻蚀出窗口；

s3、将soi片与第一摩擦本体键合连接以封闭窗口，封闭的窗口形成为真空腔；

s4、对soi片进行刻蚀处理以形成便于在真空腔内振动的第二摩擦本体；

s5、在基底上刻蚀出底电极，在第二摩擦本体上通过电子束沉积和剥离技术形成顶电极；

s6、将导线通过金属沉积固定在底电极与顶电极上。

具体来说，在本发明的摩擦纳米发电机100的制备方法中，以制备工作频率为1mhz的摩擦纳米发电机100为例，该制备方法以直接键合工艺为核心。直接键合工艺，通过高温条件，在不需要粘接剂或者电场的情况下，可以将两片硅片或者氧化硅永久地粘合在一起。

参见图5和图6，在本发明的摩擦纳米发电机100的制备方法中，首先，提供一基底10，并且为了适应键合工艺，本申请使用硅和氧化硅为摩擦材料。基底10可以优选为导电硅片，导电硅片可以是掺杂的导电硅片(如p掺杂导电硅片)，也可以是非掺杂的导电硅片。然后在导电硅片的表面通过热氧化方法生长出氧化硅层，氧化硅的厚度可以为数百纳米，该氧化硅层可以作为摩擦层20的第一摩擦本体21。接着可以在氧化硅表面刻蚀出窗口211，氧化硅表面刻蚀出的窗口211的深度可以为80nm-100nm。窗口211的深度可以根据第二摩擦本体22在真空腔23内沿水平方向向下凹陷的最大静态形变量的计算公式进行具体设计。在第一摩擦本体21表面刻蚀出窗口211之后，可以将soi片40与第一摩擦本体21通过键合工艺连接起来，连接后的soi片40能够封闭窗口211，soi片40与第一摩擦本体21的封闭的窗口211形成为真空腔23。soi片40(silicon-on-insulator)主要由硅器件层41、氧化硅绝缘层42和底层硅43组成，soi片40的具体形成原理及其性质对于本领域技术人员来说是可以理解并且能够实现的，在本申请中不再详细赘述。

将soi片40与第一摩擦本体21键合连接以封闭窗口211，封闭的窗口211形成为真空腔23的步骤主要包括：在真空环境中，将soi片40与第一摩擦本体21进行键合处理以封闭窗口211；键合后的soi片40与第一摩擦本体21在氢气氛围中进行退火处理。也就是说，soi片40与第一摩擦本体21的键合过程在真空环境中进行，键合的压力为2kg/cm²-5kg/cm²，本发明优选3kg/cm²。键合的温度为450℃-500℃，本发明优选480℃。键合后的soi片40与第一摩擦本体21在氢气氛围中进行退火处理，提高soi片40与第一摩擦本体21的键合的牢固性。其中，键合后的soi片40与第一摩擦本体21退火的温度为1000℃-1500摄氏度，本发明优选1100℃。当然本发明键合工艺中的键合温度、键合压力以及退火的温度等条件可以根据实际情况进行具体设定，只要能够满足soi片40与第一摩擦本体21键合的条件都应落入本申请的保护范围。

在soi和第一摩擦本体21完成键合的步骤后，可以对soi片40进行刻蚀处理。具体来说，利用反应离子刻蚀(rie)和湿法刻蚀相结合的方法去除soi片40中的底层硅43。其中，湿法刻蚀可以优选25％的四甲基氢氧化铵溶液作为刻蚀液。刻蚀掉底层硅43之后，可以优选氟化氢缓冲溶液去除soi片40中的氧化硅绝缘层42，留下硅器件层41作为第二摩擦本体22，第二摩擦本体22也就是在真空腔23内振动的硅悬膜。

在刻蚀出第二摩擦本体22之后，可以再次使用反应离子刻蚀(rie)使基底10和第二摩擦本体22上的硅暴露出来作为底电极31和顶电极32。最后，为了便于摩擦纳米发电机100引线，沉积金属在底电极31和顶电极32上以固定导线。

本发明的基于微机电系统的摩擦纳米发电机100的制备方法，利用微机电加工技术，可以制备出微型化的摩擦纳米发电机100，不仅极大地缩小了摩擦纳米发电机100的体积，还增强了摩擦纳米发电机100与其他电子器件的集成度。在制备过程中年，通过在摩擦层20上构建一个真空腔23，使摩擦发生在真空环境中，保证摩擦纳米发电机100的电信号的输出不受外界环境的影响，提高摩擦纳米发电机100的输出信号的稳定性。

为了表征本发明的摩擦纳米发电机100收集声波能量的电信号输出，可以搭建一个超声波链，搭建超声波链的实验装置和工作原理对于本领域技术人员来说是可以理解并且能够实现的，在本申请中不再详细赘述。在该实验装置中使用信号发生器驱动一个压电陶瓷超声探头，压电陶瓷超声探头和摩擦纳米发电机100可以都沉浸在植物油中，并对齐，距离约25mm。使用示波器接收电信号。该试验中，植物油既模拟了人体内组织的声学性质，又可以防止摩擦纳米发电机100在介质中发生短路。实验所用的纳米发电机设计工作频率为1mhz，而使用的压电陶瓷超声探头的共振频率为1.0105mhz。我们使用信号发生器产生连续信号来驱动压电陶瓷超声探头，从而产生连续声波，通过水听器校准，摩擦纳米发电机100所在处的声强为63kpa@1mhz。在此入射声波下，本发明的摩擦纳米发电机100产生的电信号图7所示，其中，ch1是来自信号发生器的驱动信号，ch2是来自摩擦纳米发电机100产生的电信号。开路电压vp-p为15.5mv。

当我们探究摩擦纳米发电机100的实际输出功率，我们将摩擦纳米发电机100与负载电阻相连接，在完全相同实验条件下，我们得到了如图8所示关系图。从图8中可以看到，在63kpa@1mhz的连续入射声波下，最大输出功率发生在负载电阻约360ω时，最大负载输出功率为50nw。

另外，我们也探究了该摩擦纳米发电机100作为超声波信号接收器，实现信号无线传输的可能性。在同样的实验装置和参数设置下，我们将压电陶瓷超声探头和摩擦纳米发电机100的距离增加到约85mm，信号发生器给的驱动信号用脉冲信号(1mhz)取代连续波信号，图9和图10分别是20个周期的脉冲信号和50个周期脉冲信号下的驱动信号下，摩擦纳米发电机100产生的电信号。其中，ch1是信号发生器给出的电信号，ch2是纳米发电机接收到超声波脉冲信号后产生的电信号。从图9和图10中可以看到，如果我们调制发射脉冲信号的宽度，也就是幅移键控(amplitudeshiftkeying)调制技术，我们可以实现信号的无线传输。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。