一种微发电机及其制备方法

摘要

本发明提供一种微发电机，包括收集电极结构和驻极体结构，设置在收集电极结构和驻极体结构之间作为轴承的微型球，其中，所述收集电极结构包括：一衬底；设置在衬底上且与衬底绝缘的若干金属电极对；设置在衬底上与金属电极对垂直分布的深槽；所述驻极体结构包括：一衬底；设置在衬底上成条状间隔平行排布的驻极体条；设置在衬底上与驻极体条垂直分布的深槽；收集电极结构上的深槽和驻极体结构上的深槽相对放置，微型球放置在相对的深槽中，驻极体条与电极条相互平行。本发明以微型球作为轴承支撑，可以通过槽深或槽宽来控制金属电极与驻极体之间的间距，有利于提高微型发电机的输出功率。

权利要求

1.一种微发电机的制备方法，该微发电机包括收集电极结构和驻极体结构，设置在收集电极结构和驻极体结构之间作为轴承的微型球，其中，所述收集电极结构包括：一衬底；

制备在衬底上且与衬底绝缘的若干金属电极对；制备在衬底上与金属电极对垂直分布的深槽；所述驻极体结构包括：一衬底；制备在衬底上成条状间隔平行排布的驻极体条；制备在衬底上与驻极体条垂直分布的深槽；收集电极结构上的深槽和驻极体结构上的深槽相对放置，微型球放置在相对的深槽中，驻极体条与电极条相互平行；该方法的步骤包括：

1）制备收集电极结构：准备一硅衬底，在衬底形成一绝缘层，制备图形化金属电极对，采用硅各向异性湿法腐蚀方法制备与金属电极对垂直的深槽结构；

2）制备驻极体结构：准备一硅衬底，制备图形化驻极体条，采用硅各向异性湿法腐蚀方法制备与驻极体条垂直的深槽结构，对驻极体进行电注极；

3）结构组装方法：在收集电极结构或驻极体结构的深槽上放置数个微型球，然后将另一结构的深槽结构平行相对扣上，微型球置于相对的深槽之间。

2.如权利要求1所述的微发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的绝缘层为有机绝缘层或无机绝缘层，所述有机绝缘层为聚酰亚胺或BCB，所述无机绝缘层为氧化硅或者氮化硅。

3.如权利要求1所述的微发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中金属电极的制备采用印刷、电镀、溅射或蒸发方法。

4.如权利要求1所述的微发电机的制备方法，其特征在于，所述金属电极或驻极体条的图形化方法为腐蚀或剥离。

5.如权利要求1所述的微发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中驻极体条的制备采用喷涂、旋涂、化学气相淀积、射频等离子体注入、蒸汽凝结或溅射方法。

6.如权利要求1所述的微发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中驻极体电注极方法采用电晕注极方法、低能电子束轰击法、软X射线注极方法或静电纺丝法。

7.如权利要求1所述的微发电机的制备方法，其特征在于，所述微型球的数量大于等于3。

说明书

一种微发电机及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微电子技术领域，涉及一种驻极体式微发电机及其制备方法。

背景技术

[0002] 微机电系统(以下简称MEMS)技术以微米/纳米量级内的设计和制造技术为基础，将微传感器、微执行器以及信号处理/控制电路，直至接口、通信和电源等集成为一体的微型模块或系统，在生物医疗、国防军工、精密仪器以及微型机器人等领域有着广泛的应用前景。MEMS可以完成传统机电系统在微米/纳米尺度范围内难以完成的任务，使得多种系统的微小型化成为可能，将其自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平。MEMS系统的使用寿命并不完全取决于各组件的寿命和可靠性，还要由其自身所携带电源的供电时间所决定。所以，MEMS微发电机已经成为MEMS领域的一个重要发展方向。

[0003] 微型振动式发电机主要有三种换能机制：电磁式，压电式，静电式。电磁式微型发电机是利用电磁感应现象，将机械能转化为电能。其通常利用永磁体和导体之间的相对运动产生电磁感应，从而产生电能。导体通常被做成线圈，则产生的电量依赖于磁场强度，相对运动速度和线圈匝数。压电式微型发电机是利用压电材料受到压力作用时会在两端面间出现电压的性质将机械能转化为电能。静电式微型发电机是通过改变电容来产生电能。可变电容通常由两个被空气、真空或绝缘体电学隔离的极板组成。极板上被外加电压充电的电荷可以在另一个极板上感应出等量但相反的电荷，当电源撤掉的时候电荷不会消失，在MEMS系统中极板间距通常很小(μm量级)。当电容值随着振动发生改变时，电容上存储的电荷量Q保持不变，而端电压将发生改变，从而将机械能转化为电能。静电式是最有利于与IC工艺兼容的一种换能方式，因为MEMS可变电容可以通过相对成熟的硅微机械技术制作。

[0004] 静电式发电机需要有初始电压做引导，而驻极体是一种被电极化后可永久带电的特殊材料，可以为静电式微型发电机提供原始电位差，且可以集成小型化，因此得到越来越多的关注。常用驻极体式发电机利用驻极体对电容器进行极化，外界振动引起电容的变化，引起电容极板上的电荷通过外电路在动静极板之间的重新分布，从而在外电路上形成电流。它可以应用于各种存在振动的环境中，实现将环境振动能转换成电能。

[0005] 目前所能查找到的驻极体发电机均采用悬臂梁支撑质量块，为弹簧质量块系统，周围环境中振动引起质量块的运动。这种结构的缺点包括：1)工作带宽比较窄，只在共振频率下才能拾取得到较高能量，而周围环境的振动频率带宽一般是很宽，因此，能量转化效率低。2)此类微型发电机的共振频率通常比较高(大于100Hz)，而环境中的振动频率一般低于100Hz，通常只有几Hz，应用环境受到限制，只能在具有高频特性的环境中应用。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术中悬臂梁结构的微发电机存在的不足，本发明提供一种微型球作为轴承的驻极体微发电机及其制备方法，该种微型驻极体式发电机结构简单，转换效率高，工作频率低，频率带宽大，可长时间工作。

[0007] 为了实现本发明的目的之一，采用的技术方案是：

[0008] 一种微发电机，其特征在于，包括收集电极结构和驻极体结构，设置在收集电极结构和驻极体结构之间作为轴承的微型球，其中，

[0009] 所述收集电极结构包括：一衬底；制备在衬底上且与衬底绝缘的若干金属电极对；制备在衬底上与金属电极对垂直分布的深槽；

[0010] 所述驻极体结构包括：一衬底；制备在衬底上成条状间隔平行排布的驻极体条；制备在衬底上与驻极体条垂直分布的深槽；

[0011] 收集电极结构上的深槽和驻极体结构上的深槽相对放置，微型球放置在相对的深槽中，驻极体条与电极条相互平行。

[0012] 所述结构衬底，其可以是硅片或玻璃片。

[0013] 所述深槽，每层结构至少两条，平行分布于驻极体或电极两侧方位，与滑动方向一致。

[0014] 所述金属电极对间间距大于10nm。

[0015] 所述驻极体可为无机驻极体或有机驻极体，有机驻极体材料可采用高分子聚合物，如聚四氟乙烯(Teflon AF)和全氟环状聚合物(CYTOP)等等；无机驻极体可选用SiO2膜、Si3N4膜或SiO2/Si3N4复合膜等。

[0016] 所述收集电极表面与驻极体表面的间距大于10nm。

[0017] 金属电极对和驻极体结构、尺寸和数量均可调。

[0018] 所述深槽结构深度大于10nm。

[0019] 所述微型球直径大于10nm。

[0020] 为了实现本发明的另一目的，采用的技术方案概述如下：

[0021] 一种微发电机的制备方法，其步骤包括：

[0022] 1)制备收集电极结构：准备一衬底，在衬底形成一绝缘层，制备图形化金属电极对，制备与金属电极对垂直的深槽结构；

[0023] 2)制备驻极体结构：准备一衬底，制备图形化驻极体条，制备与驻极体条垂直的深槽结构，对驻极体进行电注极；

[0024] 3)结构组装方法：在收集电极结构或驻极体结构的深槽上放置数个微型球，然后将另一结构的深槽结构平行相对扣上，微型球置于相对的深槽之间。

[0025] 上述步骤1)中的绝缘层可以为有机绝缘层，例如聚酰亚胺、BCB等，也可为无机绝缘层，例如氧化硅或者氮化硅等。

[0026] 上述步骤1)中对于所用的金属电极材料没有特殊要求，例如铝电极、钛/铂/金、铬/金电极等。

[0027] 上述步骤1)中金属电极的制备方法可以为印刷、电镀、溅射或蒸发工艺等。

[0028] 上述步骤1)或2)中金属电极或驻极体的图形化方法可以为腐蚀或剥离工艺等。

[0029] 上述步骤1)或2)中深槽可以采用机械、激光或腐蚀刻槽工艺等。

[0030] 上述步骤2)中驻极体材料的制备可以采用喷涂、旋涂、化学气相淀积、射频等离子体注入、蒸汽凝结或溅射工艺等。

[0031] 上述步骤2)中驻极体电注极方法可以采用电晕注极方法、低能电子束轰击法、软X射线注极方法或静电纺丝法等。

[0032] 上述步骤3)中两层之间微型球的数量大于等于3。

[0033] 与现有技术相比，本发明具有的技术效果为：

[0034] 本发明以微型球作为轴承支撑，解决了目前悬臂梁结构的微发电机工作频带窄、拾取能量频率高的缺点，而且，可以精确控制下基板上的金属电极与中基板上的驻极体之间的间距，最小间距可以达到微米量级。微型发电机的输出功率随着间距的减小而增大，因此，可以通过槽深或槽宽来控制金属电极与驻极体之间的间距，有利于提高微型发电机的输出功率。本发明微发电机具有体积小、重量轻、集成度高等优点，应用前景广阔。

附图说明

[0035] 图1是本发明实施例制备的微型驻极体式发电机的截面图；

[0036] 图2(a)收集电极结构俯视图；

[0037] 图2(b)驻极体结构俯视图；

[0038] 图3(a)-图3(f)为本发明实施例制备基于微型球作为轴承的驻极体式微发电机的工艺流程图。

[0039] 图3(a)-图(c)为收集电极结构的工艺流程图；

[0040] 图3(d)-图3(e)为驻极体结构的工艺流程图；

[0041] 图3(f)为结构组装图。

[0042] 其中，1-收集电极结构衬底，2-收集电极绝缘层及腐蚀掩膜层，3-收集电极，4-驻极体结构衬底，5-驻极体材料，6-微型球。

具体实施方式

[0043] 下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明。

[0044] 实施例、制备微型球为轴承的SiO2/Si3N4复合膜驻极体微发电机[0045] 制备微发电机的工艺流程如下：

[0046] 1)收集电极结构

[0047] a、取单晶硅片(N(100)，双抛硅片，厚度400μm)作为收集电极结构的衬底1，热氧化形成300nm的二氧化硅，并淀积110nm的氮化硅，光刻，采用反应离子刻蚀(RIE)干法刻蚀Si3N4和SiO2，二氧化硅和氮化硅双层膜结构作为绝缘层及腐蚀掩膜层2，见图3(a)。

[0048] b、在绝缘层及腐蚀掩膜层2上光刻并溅射金属电极Cr/Au15nm/150nm，使用剥离技术获得金属电极3，该电极各叉指的宽度为2mm，长度为20mm，叉指间间距为0.1mm，见图3(b)。

[0049] c、THAM湿法腐蚀硅，形成宽度为320μm的深槽结构，得到收集电极结构，见图3(c)。

[0050] 收集电极结构俯视图参见图2a。

[0051] 2)驻极体结构

[0052] a、取硅片(N(100)，双抛硅片，厚度400μm)作为驻极体结构的衬底4，采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)的方法在衬底4下表面淀积2μm/500nm SiO2/Si3N4复合膜作为驻极体材料5，采用反应离子刻蚀(RIE)干法刻蚀Si3N4和SiO2，得到驻极体图形，驻极体的宽度为2.1mm，长度为20mm，驻极体之间的间距为2.1mm，见图3(d)。

[0053] b、THAM湿法腐蚀硅(通过TMAH腐蚀时间来控制槽深，如25％浓度的TMAH溶液腐蚀硅的速率约为 ；TMAH溶液不腐蚀氮化硅，用氮化硅做掩膜层，图形化氮化硅，即可得到槽的图形。参考文献：黄庆安.硅微机械加工技术.科学出版社.1996)，形成宽度为320μm的深槽结构，得到驻极体结构，见图3(e)。

[0054] c、用电晕注极方法注极驻极体。栅网电压为-400V，针尖电压为-5000V，衬底温度为80℃下，注极时间30分钟。

[0055] 驻极体及收集电极的深槽都可以是连续的和不连续的，并不严格限制，也不限制不连续的条数。

[0056] 驻极体结构俯视图参见图2b。

[0057] 3)结构组装

[0058] 微型球采用Thomson Precision Ball Company公司制造的直径为285μm的不锈钢微型球(等级为10级，即直经误差为±0.254m；选择合适直径的微型球后，再通过槽深或槽宽确定驻极体及收集电极之间的间距，如用槽深的方法，间距为微型球直径减去两倍的槽深)，在收集电极结构的每个深槽上放置两个微型球，然后将另一结构面向该结构对准扣上，使两衬底上的深槽结构平行相对，微型球恰好处于上下深槽之间，见图3(f)。图1为图3(f)的左视图。

[0059] 本实施例提供了一种微型球作为轴承的微型发电机的结构和制备方法，本发明不仅局限于此实施例，可以根据实际要求和设计要求做出相应的修改。

[0060] 本实施例中衬底1可以用半导体或绝缘体做衬底，如硅、玻璃等。如用绝缘体做衬底，则无需绝缘层2。

[0061] 本实施例中作为绝缘层2的二氧化硅可以是其他绝缘体，如氮化硅或氧化铪，厚度也可调节。

[0062] 本实施例中的金属电极3可以为其他金属，如Al，Ti，W，Pd，Pt等，其生长方法可以为溅射、蒸发、电镀等，其图形化方法可以为腐蚀、剥离等。

[0063] 本实施例中衬底4可以用半导体或绝缘体做衬底，如硅、玻璃等。

[0064] 本实施例中驻极体材料5可为无机驻极体或有机驻极体，有机驻极体材料可采用高分子聚合物，如聚四氟乙烯(Teflon AF)和全氟环状聚合物(CYTOP)等等；无机驻极体可选用SiO2膜、Si3N4膜或SiO2/Si3N4复合膜等。

[0065] 本实施例中驻极体材料5的制备可以采用喷涂、旋涂、化学气相淀积、射频等离子体注入、蒸汽凝结、溅射等工艺。

[0066] 本实施例中步骤1)(c)、2)(b)中腐蚀硅的方法可以是其他湿法腐蚀方法，如HNA、KOH等；也可以采用干法刻蚀，激光刻蚀，机械加工等方法。

[0067] 本实施例中步骤2)(c)驻极体电注极方法可以采用电晕注极方法、低能电子束轰击法、、软X射线注极方法和静电纺丝法等。

[0068] 以上通过实施例详细描述了本发明所提供的微型球作为轴承的微型发电机，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。