一种电磁式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)技术的电磁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。物联网包含许多功能相同或不同的无线传感器节点，节点之间相互通信、协同工作。微能源技术负责为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电磁式、压电式及静电式等三种类型，其中电磁式能量收集器发展最为成熟。一个典型的电磁式能量收集器主要由电感和永磁体构成，它基于法拉第电磁感应原理将振动能转换为电能。为了提高能量收集效率，要求电磁式能量收集器工作在谐振状态，即收集器中拾振结构的固有频率与外界环境中的振动频率一致，但是，环境中的振动具有频率成分多且多变(频带宽)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，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:针对上述现有技术，提出一种电磁式MEMS振动能量收集器及其制备方法，提高振动能量收集效率。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]—种电磁式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表面生长一层S12;
[0008](2)，以所述S12做掩膜并使用TMAH试剂对第一衬底进行各向异性刻蚀，刻蚀深度为50?200 μ m，刻蚀后形成凹槽；
[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表面及凹槽的底部和周侧区域重新生长100?100nm厚度的S12，形成底氧化层；
[0010](4)，通过溅射在底氧化层的表面依次制作一层Ti以及一层Cu，作为制作电感线的种子层；
[0011](5)，通过喷涂法在所述Cu的表面形成一层光刻胶并光刻，定义出电感线层图形，电感线层包括若干根间隔设置的电感线；
[0012](6)，通过电镀的方法在所述电感线层图形区域生长10?30 μπι的Cu ;
[0013](7)，通过刻蚀去除光刻胶以及被光刻胶覆盖的种子层，完成电感线层的制备；
[0014](8)，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区域的表面制作一层I?10 μπι厚度的S12并光刻，形成顶氧化层；
[0015](9)，按照步骤(1)-(8)，在第二衬底表面依次制备凹槽、底氧化层、电感线层以及顶氧化层；
[0016](10)，将可动永磁体置于第一衬底的凹槽内，然后将第二衬底的凹槽正对第一衬底的凹槽，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，第一衬底的凹槽和第二衬底的凹槽共同形成空腔。
[0017]—种电磁式MEMS振动能量收集器，包括第一衬底，在所述第一衬底上表面中部开有第一凹槽，所述第一衬底上表面以及第一凹槽的底部和周侧均设有第一底氧化层，在所述第一底氧化层表面设有第一电感线层，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一凹槽内，每根电感线的首端和尾端分别位于第一凹槽外部，在第一电感线层位于所述第一凹槽内区域的表面设有第一顶氧化层；
[0018]第二衬底，在所述第二衬底下表面中部开有第二凹槽，所述第二衬底下表面以及第二凹槽的底部和周侧均设有第二底氧化层，在所述第二底氧化层表面设有第二电感线层，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，在第二电感线层位于所述第二凹槽内区域的表面设有第二顶氧化层；
[0019]所述第二衬底设置于第一衬底上方，所述第一凹槽和第二凹槽共同形成空腔，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。
[0020]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。
[0021 ] 进一步的，所述可动永磁体为球体或圆柱体。
[0022]进一步的，所述第一凹槽和第二凹槽的深度为50?200 μm，所述第一衬底和第二衬底为硅衬底，所述第一底氧化层和第二底氧化层均为厚度在100?100nm的S12，所述第一顶氧化层和第二顶氧化层均为厚度在I?10 μπι的Si02。
[0023]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0024]1、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。
[0025]2、本发明采用MEMS技术制备，传感器具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及制造成本低的优点。
【附图说明】
[0026]图1为本发明的剖面结构示意图；
[0027]图2为本发明的第一衬底的结构示意图；
[0028]图3本发明螺旋电感的结构示意图；
[0029]图中有:第一衬底10、第一凹槽11、第一底氧化层12、第一电感线层13、第一顶氧化层14、第二衬底20、第二凹槽21、第二底氧化层22、第二电感线层23、第二顶氧化层24、可动永磁体33。
【具体实施方式】
[0030]一种电磁式MEMS振动能量收集器的制备方法，包括如下步骤:
[0031](I)，选用N型(100)硅作为第一衬底10，通过湿氧热氧化的方法在第一衬底10的上表面生长100nm厚度的S12，其中第一衬底10的形状为长条矩形。
[0032](2)，以步骤(I)制备的 S12做掩膜，使用 TMAH(Tetramethyl ammoniumhydroxide，四甲基氢氧化铵)试剂对第一衬底10进行各向异性湿法刻蚀，刻蚀深度为50?200 μ m，刻蚀后在第一衬底10上表面中部形成第一凹槽11。
[0033](3)，使用HF (氢氟酸)溶液去除第一衬底10表面的S12,并通过湿氧热氧化的方法在第一衬底10的表面及第一凹槽11的底部和周侧区域重新生长100?100nm厚度的S12，形成第一底氧化层12。
[0034](4)，按上述步骤(1)-(3)，在第二衬底20下表面制备第二凹槽21，并在第二凹槽21的底部和周侧区域制备第二底氧化层22。
[0035](5)，通过派射在第一底氧化层12的表面依次制作一层10nm Ti以及一层500nmCu，作为制作电感线的种子层。
[0036](6)，通过喷涂法在Cu的表面形成一层光刻胶并光刻，定义出电感线层图形。由于第一衬底10上的第一电感线层13包括若干根间隔设置的电感线，因此在定义出电感线层图形时需根据预先计算好的电感线的形状及位置采用相应的掩膜板。如图2所示，电感线的中部位于第一凹槽11内并与凹槽贴合，电感线的首端和尾端分别位于第一凹槽外部的第一底氧化层12表面上。
[0037](7)，通过电镀的方法在已定义出的电感线图形的区域生长10?30 μ m厚度的Cu。
[0038](8)，通过刻蚀去除光刻胶以及被光刻胶覆盖的种子层，形成第一电感线层13。
[0039](9)，按照步骤(5)-(8)，在第二衬底20的第二底氧化层22上制备第二电感线层23。其中，根据电感式MEMS湿度传