[发明专利]基于环状叉指电极的压电微型能量采集器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的器件，更具体的说，涉及一种基于环状叉指电极的压电微型能量采集器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着微电子技术、微机械加工技术以及无线传感技术的迅速发展，对微器件的供电电源提出新的要求和挑战。微型压电式振动能量采集器，作为一种新型的自采集微能源器件，能够将所处环境的振动能量通过压电效应转换为电能，以提供微型电子器件电能，在新能源备受关注的现时期受到更多的广泛研究。

目前，采用MEMS技术制备的压电能量采集器，大部分采用d₃₁振动模式来产生电能，主要是因为d₃₁模式是在压电材料上下表面沉积金属电极，结构相对简单，电荷采集面积较大。d₃₃振动方式是采用叉指电极来实现的，它虽然电极面积较d₃₁的小，但能通过改变叉指电极的间距和叉指结构来改变器件的性能，从而能够产生比d₃₁模式能量采集器更高的输出电压。

对现有技术文献的检索发现，Dong-Joo Kim等人等在《Journal of Micromechanics and Microengineering》(2012)撰文“Modeling and evaluation of d₃₃mode piezoelectric energy harvesters”(“d₃₃模式压电能量采集器的模型和评价”《微机械与微工程期刊》)。该文对悬臂梁结构d₃₃模式进行设计和加工。同时该课题组在《Journal of Microelectromechanical Systems》撰文“Comparison of MEMS PZT cantilevers based on d₃₁andd₃₃modes for vibration energy harvesting”(“MEMS结构的d₃₁和d₃₃振动模式压电悬臂梁结构能量采集性能比较”《微电子机械系统期刊》)。该文对悬臂梁结构的d₃₁和d₃₃模式能量采集器进行性能比较。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的上述不足，提出一种基于环状叉指电极的压电微型能量采集器及其制备方法。本发明实质是一种基于环形叉指电极的d₃₃能量采集器，同样通过压电效应产生的电压供能给外加电压源，提供了另一有效解决除方形插指电极的d₃₃压电能量采集器。d₃₃压电能量采集器采用压电薄膜结构在外部振动能源激励下薄膜发生形变，材料产生压电效应来实现外界能源到内部能源的转变，从而有效解决非接触能量传递这一问题。同时利用压电效应的d₃₃模式，即外部施加的应力和因此引起的机械性变沿着薄膜宽度方向，而极化方向产生的电压也沿这个方向的模式，形似尺寸的压电材料，d₃₃压电模式的开路电压能够比d₃₁模式高出许多。环状叉指电极较矩形叉指更加适合采集声波能源，有效采集电荷面积较为合理，改善d₃₃能量采集器性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明涉及一种基于环状叉指电极的压电微型能量采集器，包括由下至上的衬底层、绝缘层、键合层、压电层和上电极层；所述衬底层刻蚀留有质量块形状，所述上电极层为环状叉指结构。

优选地，所述上电极层为导电非金属、金属或金属化合物。

优选地，所述上电极层为Au、Pt、Cu或石墨烯。

优选地，所述衬底层为硅衬底、玻璃衬底或SOI衬底。

优选地，所述绝缘层为二氧化硅、氮化硅或聚合物层。

优选地，所述聚合物层为parylene层、PDMS层或PI层。

优选地，所述压电层为PZT、BCT-BZT或PVDF压电膜层。

第二方面，本发明涉及一种前述的基于环状叉指电极的压电微型能量采集器的制备方法，包括如下步骤：

步骤A、通过DRIE或湿法进行衬底层背面的通孔刻蚀，在衬底层上沉积绝缘层；

步骤B、通过键合的方法使得所述绝缘层与压电层粘接；

步骤C、在所述压电层上制作环状结构的上电极层。