一种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种压电-电磁复合式MEMS振动能量收集器及其制备方法，采用可动永磁体作为拾振结构，在振动环境作用下，可动永磁体在腔体内运动，引起螺旋电感线圈内的磁通量发生变化，进而导致在螺旋电感线圈与外接负载形成的闭合回路中产生感应电流，从而实现通过电磁感应方式将振动能转换为电能。此外，可动永磁体在腔体内运动时，其产生的压力或冲击导致第一方形膜或第二方形膜发生弯曲形变，进而引起压电层的形变产生压电电压，从而实现通过压电效应将振动能转换为电能，并通过连接压电层的压电电极将电压供给负载。本发明结合了电磁感应和压电效应等两种方式将振动能转化为电能，两者叠加在一起一并为负载供电。

主权项

一种压电‑电磁复合式MEMS振动能量收集器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)，选用硅作为第一衬底，通过热氧化的方法在第一衬底的上表面和下表面分别生长一层SiO₂；(2)，以第一衬底上表面和下表面的所述SiO₂做掩膜，并使用TMAH试剂对第一衬底上表面和下表面分别进行各向异性刻蚀，刻蚀深度为100～300μm，刻蚀后在第一衬底的下表面中部和上表面中部分别形成一个凹槽，两个凹槽底部之间的硅层形成方形膜结构，所述方形膜结构的厚度为10～100μm；(3)，使用HF溶液去除第一衬底表面的SiO₂，并通过热氧化的方法在第一衬底的上表面以及上表面中部的凹槽底部和周侧区域重新生长100～1000nm厚度的SiO₂，形成绝缘层；(4)，使用溅射工艺在所述绝缘层表面制作一层Pt，作为压电电极；(5)，使用溅射工艺在所述压电电极上制作一层200～2000nm厚度的PZT；(6)，使用溅射工艺在所述PZT上沉积一层Pt，作为压电电极；(7)，对所述PZT进行极化使其具备压电特性，形成压电层；(8)，使用增强型化学气相沉积的方法在步骤(6)制备的所述压电电极上制作一层100～1000nm厚度的SiO₂，形成绝缘层；(9)，通过溅射在步骤(8)制备的绝缘层上依次制作一层Ti以及一层Cu，作为制作电感线的种子层；(10)，通过喷涂法在所述Cu的表面形成一层光刻胶并光刻,定义出电感线层的图形，电感线层包括若干根间隔设置的电感线；(11)，通过电镀的方法在已定义出的电感线层图形的区域生长10～30μm厚度的Cu；(12)，通过刻蚀去除光刻胶以及被光刻胶覆盖的所述种子层，形成电感线层；(13)，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的区域上制作一层1～10μm的SiO₂并光刻，形成绝缘层；(14)，按照步骤(1)‑(13)，在第二衬底上表面中部和下表面中部分别形成一个凹槽，两个凹槽底部之间的硅层形成方形膜结构，然后在第二衬底的下表面以及下表面中部的凹槽的底部和周侧依次制备绝缘层、压电电极、压电层、压电电极、绝缘层、电感线层，然后在电感线层位于凹槽内的区域上制备绝缘层；(15)，将可动永磁体置于第一衬底上表面的凹槽内，然后将第二衬底下表面的凹槽正对第一衬底上表面的凹槽，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，第一衬底上表面的凹槽和第二衬底下表面的凹槽共同形成空腔。