[发明专利]MEMS压电器件和对应的制造方法

说明书

本发明涉及MEMS压电器件和对应的制造方法。一种MEMS压电器件具有：半导体材料的单片式本体，其具有第一主表面和第二主表面，这两个表面平行于由第一水平轴和第二水平轴形成的水平面并且沿着竖直轴相对；布置在单片式本体内的壳腔体；在单片式本体的第一主表面处悬置在壳腔体上方的膜；布置在膜的第一表面上方的压电材料层；布置成与压电材料层接触的电极装置；以及耦合至膜的沿着竖直轴与第一表面相对的第二表面以响应于环境机械振动引起第二表面形变的检测质量。检测质量通过布置在中心位置中并且沿着竖直轴的方向在膜与检测质量之间的连接元件耦合至膜。

技术领域

本发明涉及MEMS(微机电系统)压电器件以及对应的制造方法。

背景技术

以下讨论将特别参考MEMS压电器件作为用于能量采集(或能量拾取)应用的能量微型发电机的用途。

如所已知的，用于从机械或环境能量源采集能量的系统唤起对各种技术领域的相当程度的兴趣，例如在便携式或移动电子装置领域。

通常，能量采集系统被设计成采集和存储由机械源或环境源生成的能量并且将其传递给电类型的通用负载，该负载可以被供电或者在电池的情况下被再充电。这样的系统比如可以使得能够提供没有电池的便携式电子装置或者使得能够在相当的程度上增加这样的便携式电子装置的电池的寿命。

特别地，已经提出的能量采集解决方案设想使用能够将与机械振动相关联的能量(源自于器件在其中操作的环境或者源自于器件与其接触的本体)转换成电能的MEMS压电器件。

MEMS压电器件的最简单的解决方案设想使用悬臂结构，其在自由端处承载惯性质量或者“检测质量”；适当的压电材料、诸如例如PZT(锆钛酸铅)被放置在悬臂梁上。

在以上解决方案中，机械振动引起检测质量的移动和动能的生成，动能被转换成悬臂梁和相关联的压电材料的机械形变形式的弹性势能。

特别地，悬臂梁的所得到的振荡引起压电材料的拉伸和压缩效应以及可以在被布置成与压电材料接触的电极处检测到所产生的电荷的生成。换言之，存储在悬臂梁中的弹性势能的一部分被转换成电能。

悬臂结构通常被设计为具有高的质量因子Q，就此而言，以上解决方案具有与非常窄的操作频带有关的重要缺点。因此，与机械结构的自然谐振频率的甚至非常小的偏差就引起可以被采集的能量的快速衰减。

然而，环境中的机械振动通常具有宽的频谱，其具有非可控的值。因此，先前描述的解决方案通常在能量采集方面不能够提供充足的效率。

为了克服以上缺陷，提出了一种另外的解决方案，其设想使用所谓的“两端固支”(doubly clamped)结构，其被配置成在对应压电元件上生成主要是拉伸类型的应力。这些器件示出由高频区域中的线性弯曲主导并且具有低的振荡幅度的行为以及由低频区域中的明显非线性伸展主导并且具有高的振荡幅度的行为。

如图1a中示意性地图示的，这一解决方案设想使用一对薄的悬臂元件1a、1b，即一个悬臂元件沿着竖直轴z具有远小于沿着第一水平轴x的对应主延伸(或长度)的厚度t。悬臂元件1a、1b在第一端处被约束到固定结构2，并且在第二端处被约束到检测质量4，检测质量4直接耦合至悬臂元件1a、1b并且关于上述悬臂元件1a、1b在中心布置。

特别地，图1a中的D1和D2表示沿着第一水平轴x的检测质量4的主延伸和结构的总延伸(由悬臂元件1a、1b的长度和检测质量4的长度之和给出)。

如图1b中所图示的，由于机械振动而产生的沿着检测质量4的竖直轴z的位移δ在悬臂元件1a、1b二者上引起张应力形变。特别地，检测质量4布置在中心这一事实防止了检测质量4的侧向移动或旋转并且使得能够将自然振荡频率减小到几百赫兹的值，其实际上对应于环境机械振动的频谱的典型值。

以下文档中描述使用先前讨论的两端固支解决方案的MEMS压电器件、特别是能量采集发电机的示例：