基于八悬臂梁-中心质量块结构MEMS压电振动能量采集器*

陈东红 ，安 坤 ，燕 乐 ，孔龄婕 ，贺 婷 ，丑修建 *

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051;3.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051）

随着微电子技术的日趋发展和成熟，微机电系统（MEMS）、无线传感系统、嵌入式系统、无线通讯等技术在民用和军事方面得到了广泛应用［1］。这些系统中电子元件数量众多、分布复杂，对其更换供能电池很不方便，且成本较高。因此，研制一种体积小、寿命长、环境适应性强、能量密度和转换效率高的自供电振动能量采集器成为亟待解决的科学问题。

振动式能量采集器通过机械振动能量拾取装置将环境中的振动能转换成电能［2］。根据不同的能量转换原理，振动能量采集器可分为：电磁式、静电式、磁致伸缩式及压电式等类型［3-4］。电磁式振动能量采集器［5］输出功率密度较大，环境适应能力较强，但整体尺寸较大，难与MEMS加工制造技术兼容；静电式振动能量采集器输出功率较大，但能量转换效率低，且需要预加外部电压［6］；磁致伸缩式振动能量采集器适合高频振动环境，需要偏磁体；压电式振动能量采集器因具有较高的机电耦合特性和输出电压、无需外接电源、与MEMS技术兼容等优势得到了国内外许多研究者的关注和重视［7］。

针对传统压电式振动能量采集器的单悬臂梁-质量块结构输出电能小、谐振频率高［8］的问题，本文创新性地设计了一种基于八悬臂梁-中心质量块结构的MEMS压电振动能量采集器，在每根悬臂梁上都异质集成制备PZT压电功能厚膜层，将所加工制造成的16个PZT压电敏感单元相串联增加了压电发电能量，提高了系统的总体输出电压及输出功率，同时微结构中的中心质量块可以降低一阶谐振频率，与环境机械振动极易产生共振。该设计将为解决无线传感网络节点供电问题奠定理论和技术基础。

1 基本原理

本文所设计的MEMS压电式振动能量采集器采用d31工作模式发电，其结构比d33型压电能量采集器简单，加工制造也更为容易［9-10］。MEMS压电式振动能量采集器芯片基础单元为八悬臂梁-中心质量块微结构，其结构如图1所示。将该器件置于环境振动条件下，环境中的机械振动使中心质量块带动八根悬臂梁沿着结构平面Z轴垂直方向一起振动，使悬臂梁上PZT压电膜发生机械形变，材料内部电极化状态改变，在其上下表面分别产生等量异号的束缚电荷，从而产生电势差，通过外围能量采集电路将器件所产生的电能进行储存。在正弦特性的振动源激励作用下产生正弦交流输出电压。

图1 整体结构设计示意图

由瑞利定律（Rayleigh’s Method）推导可得八悬臂梁-中心质量块结构的一阶谐振频率F的计算公式［11］为：

式中，l、w、h分别为悬臂梁的长度、宽度、厚度，d为PZT压电厚膜层的厚度，m为中心质量块的质量，E为弹性模量。

该MEMS压电式振动能量采集器所对应的输出功率表达式［12］为：

式中，ω为外部振动频率，ωn为无阻尼振动时的固有频率，ζm、ζe分别为结构的机械阻尼比和电致阻尼比。

2 结构加工

利用湿氧热氧化工艺在4英寸、厚度400 μm的N型双面抛光单晶Si（100）晶片上下表面生长高度约300 nm的SiO2层，通过磁控溅射工艺在SiO2/Si/SiO2晶片上生长下电极Pt（111）/Ti层，其中Pt层高度为150 nm、Ti层为20 nm。采用Sol-Gel法［13］制备PZT压电功能厚膜材料层，结合光刻、湿法/干法刻蚀、磁控溅射、剥离工艺、引线键合等MEMS加工工艺技术实现器件基础结构的制造。该器件的具体尺寸见表1。

表1 器件结构尺寸

MEMS压电式振动能量采集器基础结构加工流程如图2所示。

图2 基础结构MEMS加工流程

具体加工工艺流程：（a）清洗晶片：通过标准清洗工艺对长有Pt/Ti的硅片进行清洗；（b）PZT压电厚膜异质集成制备：利用Sol-Gel法在晶片Pt/Ti层表面异质集成3.5 μm的PZT膜；（c）PZT压电厚膜层湿法腐蚀：结合光刻工艺，将晶片浸入湿法腐蚀液（体积比H2O∶HCl∶HF=10∶5∶1）中，留下所需要的PZT层；（d）下电极Pt/Ti层刻蚀：采用离子束干法刻蚀（IBE）工艺，去除晶片表面不需要的Pt/Ti金属层；（e）外侧上电极Au/Ti层加工制作：通过磁控溅射、剥离技术工艺，得到悬臂梁上分布的上电极Au/Ti层；（f）Si3N4绝缘层沉积及图形化加工：通过电感耦合等离子体化学气相沉积（ICPCVD）工艺沉积Si3N4绝缘层，然后进行剥离，为下一步悬臂梁内侧上电极引出搭建绝缘层桥梁；（g）内侧上电极焊盘点引线层制作：通过磁控溅射、剥离技术进行Au/Ti图形化加工，将微结构悬臂梁上靠近中心质量块的上电极单元焊盘点引至结构边框上；（h）正面刻蚀加工：对微结构正面的SiO2层进行反应离子（RIE）刻蚀，再通过电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀Si衬底，刻出悬臂梁厚度约15 μm；（i）反面刻蚀加工：首先利用RIE刻蚀工艺将晶片反面SiO2层全部刻蚀，然后采用ICP刻蚀Si衬底层，刻蚀出中心质量块的振动运动量程约250 μm；（j）微结构释放：通过掩膜将中心质量块保护起来，从晶片反面继续对Si衬底层进行ICP刻蚀，刻穿衬底、释放微结构，完成该振动能量采集器结构的MEMS加工。

利用粘合剂粘贴、热压力引线键合及焊接技术完成器件封装，如图3所示。

图3 器件封装图

3 测试分析

自主搭建振动测试系统对基于八悬臂梁-中心质量块结构MEMS压电振动能量采集器的输出性能进行测试。振动测试系统主要由振动台、信号发生器、功率放大器、标准加速度计、示波器等组成，如图4所示为该振动测试系统的原理图。

将基于八悬臂梁-中心质量块结构MEMS压电振动能量采集器件的16个压电敏感单元串联，实现电压及功率的最大化输出。在频率范围5 Hz～100 Hz，加速度1gn条件下进行扫频测试，输出电压峰-峰值与频率之间关系如图5所示，结果表明：MEMS压电式振动能量采集器的一阶谐振谐振频率为41 Hz，此时输出的开路交流电压峰峰值最大，为86.94 mV。

图4 振动测试系统原理图

图5 频率范围5 Hz～100 Hz，加速度1 gn时器件输出电压

当且仅当MEMS压电式振动能量采集器处于谐振频率条件下振动时，悬臂梁上PZT压电厚膜的形变才最大，器件的输出性能达到最高［14］。一阶谐振频率41 Hz、加速度激励0.2/0.4/…/2.8/3gn振动驱动条件下，测得其开路输出交流电压峰峰值与加速度激励的关系如图6所示。该微能源器件输出电压峰-峰值随加速度激励的增大呈线性关系增大，当加速度增大到3gn时，器件开路输出交流电压峰峰值达到最大值264.00 mV，输出的正弦信号如图7所示。

图6 谐振工作时器件开路输出交流电压峰峰值与加速度激励的关系

图7 一阶谐振频率41 Hz，加速度3gn工作状态下器件的开路输出交流电压

输出功率是评定振动能量采集器性能好坏的重要指标。在一阶谐振频率41 Hz、3gn加速度的振动状态下，器件的输出电压及输出功率与负载阻值的关系如图8所示，随着负载阻值的增加，负载电压逐渐增大，最大电压为226.00 mV；当器件输出端加载3.00 MΩ负载时，其输出功率达到最大，为0.72 nW。

图8 一阶谐振频率41 Hz、加速度3 gn，加载不同负载时器件输出电压及功率

4 结论

采用Sol-Gel工艺完成硅基PZT压电厚膜的异质集成，结合MEMS加工制造工艺及引线键合技术，实现基于八悬臂梁-中心质量块结构d31型压电能量采集器的设计与制造。通过对器件输出性能的测试分析，得知其谐振频率为41 Hz。当加速度激励为3gn时，输出电压峰-峰值达到最大264.00 mV。在器件两端加载阻值为3.00 MΩ的负载时，输出功率最大，为0.72 nW。基于八悬臂梁-中心质量块结构的MEMS压电式振动能量采集器适合低频段振动发电、输出电压较高、结构设计简单紧凑、与MEMS加工技术相兼容，有望为各种低功耗智能化MEMS器件系统、海量无线传感网络节点等提供可靠且充足的电能，具有良好的发展潜力。

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