[发明专利]六维压电式能量收集器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统能量收集器及其制作方法，特别涉及一种六维压电式能量收集器及其制作方法，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

振动普遍存在于自然界中，有自然产生的振动也有人为产生的振动，振动本身是带有能量的，可以将这部分能量收集、转换、储存起来，并为低功耗电子器件或者其他需要能量的设备提供电能，这样就能为低功耗设施长期提供电能而不需要任何外界供电。

为了很好的实现上述目的，人们设计了悬臂梁结构并在悬臂梁上设置压电材料层，通过悬臂梁吸收振动能量并使悬臂梁发生形变带动压电材料产生形变进而产生电能，人们也开始以该方案为基础设计各类压电式振动能量收集器，不过几乎所有的结构都是为了提高一个方向的振动能量吸收效率而设计的，从单一的直角型压电悬臂梁振动能量采集器(中国专利公开号：CN105305879A)，到双稳态复合悬臂梁压电发电装置(中国专利公开号：CN102790549A)，均是为了提高单个方向的振动能量转换效率而做出不同的优化；而空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置(中国专利申请号：201710022632.1)虽然做到了多方向的振动能量收集，不过收集器结构过于复杂，不能在微电子芯片内的集成。同时，目前所有的基于悬臂梁的能量收集器只能收集振动能量，不能有效吸收旋转能量。因此设计一种基于MEMS技术的多向能量收集器是有很大的研究及应用价值。近年来，随着MEMS技术的飞速发展，对MEMS悬臂梁结构进行了深入的研究，使得采用MEMS技术的能量收集器成为可能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种六维压电式能量收集器及其制作方法，通过MEMS技术使能量收集器小型化、集成化，同时其特殊的结构能够吸收三个方向的振动能量以及三个平面的旋转能量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种六维压电式能量收集器，该收集器以硅为衬底，在所述硅衬底上设置有支持梁；所述支持梁方向与Y轴平行，且其一端连接衬底，另一端垂直连接主悬臂梁；

所述主悬臂梁方向与X轴平行且其平面法向方向为Y轴方向，所述主悬臂梁的表面设置有主压电片，所述主悬臂梁的两侧分别设置有一个主质量块，每个所述主质量块分别垂直连接一个第一副悬臂梁；

每个所述第一副悬臂梁与Y轴平行且其平面法向方向为X轴方向，每个所述第一副悬臂梁的表面分别设置有一个第一副压电片，每个所述第一副悬臂梁的两侧分别设置有一个第一副质量块，每个所述第一副质量块分别垂直连接一个第二副悬臂梁，其中，对应同一个所述第一副悬臂梁的两个第二副悬臂梁分别为一个X向第二副悬臂梁和一个Y向第二副悬臂梁；

每个所述X向第二副悬臂梁与X轴平行且其平面法向方向为Z轴方向，所述X向第二副悬臂梁的表面设置有第二副压电片，所述X向第二副悬臂梁的两侧分别设置有一个第二副质量块；每个所述Y向第二副悬臂梁与Y轴平行且其平面法向方向为Z轴方向，所述Y向第二副悬臂梁的表面设置有第二副压电片，所述Y向第二副悬臂梁的两侧分别设置有一个第二副质量块。

作为本发明的进一步技术方案，所述主质量块与所述第一副悬臂梁的连接处位于所述第一副悬臂梁的中点。

作为本发明的进一步技术方案，所述第一副质量块与所属第二副悬臂梁的连接处位于所述第二副悬臂梁的中点。

另一方面，本发明还提供一种如上述任一所述的六维压电式能量收集器的制作方法，该制作方法包括以下步骤：

1)准备硅衬底；

2)采用光刻胶作为牺牲层材料涂覆在硅衬底上形成第一牺牲层，再通过淀积SiO2形成第二牺牲层，在第二牺牲层上再涂覆一层光刻胶；

3)去除支持梁区域的最上层光刻胶；

4)将支持梁部分的第一牺牲层和第二牺牲层全部刻蚀，刻蚀完毕后在支持梁区域内溅射锡青铜合金或者电镀金属铜，该工序结束后对表面进行平面化处理；

5)去除主悬臂梁和第一副悬臂梁区域的光刻胶；

6)将主悬臂梁和第一副悬臂梁区域的第二牺牲层全部刻蚀，刻蚀完毕后在主悬臂梁和第一副悬臂梁区域内溅射锡青铜合金或者电镀金属铜，形成主悬臂梁和第一副悬臂梁；

7)去除主质量块以及第一副质量块区域的光刻胶；

8)将主质量块以及第一副质量块区域的第二牺牲层全部刻蚀，刻蚀完毕后在主质量块以及第一副质量块区域内溅射金属镍，形成主质量块以及第一副质量块；

9)在步骤8形成的器件表面涂上光刻胶；

10)去除第二副悬臂梁区域的光刻胶；