圆片级低真空封装的MEMS压电振动能量收集器结构设计*

2016-10-21张颖异温志渝邓丽城

传感技术学报 2016年9期

张颖异，温志渝，邓丽城

（1.中国电子科技集团公司第四十四研究所，重庆400060；2.重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆400044；3.重庆大学光电工程学院，重庆400044）

张颖异1，温志渝2，3*，邓丽城2，3

MEMS低真空封装技术能为MEMS器件的可动部分提供低阻尼环境，降低能量损耗，有效提高器件的能量转换效率，具有重要的研究意义和应用前景，是MEMS技术的研究热点和难点。为了进一步提高MEMS压电振动能量收集器的输出性能，提出了圆片级低真空封装的共质量块MEMS压电悬臂梁阵列振动能量收集器新结构，通过有限元分析方法对器件结构参数进行了优化设计，在优化结构参数下仿真器件输出性能：在610 Hz、2 gn加速度下，器件的输出电压为8.88 V，输出功率为1 220 μW，能满足实际应用需求；根据器件结构设计了加工工艺流程，对低真空封装结构的实现和封装工艺探索具有重要意义。

MEMS；压电；振动能量收集器；低真空封装

EEACC：7230；2550doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.004

高性能的MEMS压电振动能量收集器是新型微电子器件与系统的重要使能技术，为超低功耗新型微电子器件与系统在恶劣环境下的可持续、免维护和绿色电源供给提供了有效的途径，在无人值守监测网络、智能建筑、物联网等领域具有迫切的应用需求［1-2］。但纵观MEMS压电振动能量收集器的研究现状与发展趋势，器件的输出性能仍然有待进一步提高，以满足更多的应用需求［3-6］。

MEMS压电振动能量收集器的振动部分质量较小，机械阻尼对其性能影响明显，降低阻尼是提高器件性能的有效途径。低真空封装技术能够有效降低器件机械阻尼，提高MEMS压电振动能量收集器的输出性能，同时也能提高器件的可靠性、长期稳定性，降低器件的成本，因此低真空封装技术是打破MEMS压电振动能量收集器实用化瓶颈的关键技术。目前，国内外的研究中多采用圆片级封装技术来实现低真空封装结构［7-9］。Elfrink等人设计了圆片级低真空封装的基于AlN薄膜的压电振动能量收集器，将输出功率提高了一个数量级［10］；陈德勇等人采用阳极键合技术加工了圆片级真空封装的压力传感器，具有更高的真空度和可靠性［11］；董艳等人采用Cu-Sn键合工艺开发了一种适于MEMS器件的基于W2W工艺的简单圆片级真空封装方法［12］。

为了进一步提高MEMS压电振动能量收集器输出性能，论文提出了一种圆片级低真空封装的共质量块MEMS压电悬臂梁阵列振动能量收集器新结构，通过采用有限元分析方法对圆片级低真空封装MEMS压电振动能量收集器进行了结构参数的系统优化设计与分析，得到了器件的优化结构参数及输出性能；根据设计的器件结构及MEMS加工工艺形成了器件的加工工艺流程，对低真空封装结构的实现及封装工艺的探索具有重要技术意义，为MEMS压电振动能量收集器实用化奠定了理论与技术基础。

1　结构设计

圆片级低真空封装的MEMS压电振动能量收集器的结构设计如图1所示，主要由能量收集芯片和封装模块构成，采用硅-玻璃阳极键合实现圆片级低真空封装。能量收集芯片用于振动能量的获取与转换，封装模块用于实现低真空环境。

图1　器件的整体结构设计流程图

能量收集芯片为基于PZT薄膜的共用质量块压电悬臂梁阵列式结构，采用d31工作模式，是获取环境振动能并将其转换为电能的结构单元。通过压电悬臂梁阵列共用质量块的结构，能够保证各压电悬臂梁单元的振动相位的一致性，减少因相位差导致的输出电压损失；压电悬臂梁单元之间采用串联方式连接，能有效提高输出电压，解决PZT材料输出电压低的问题［13-14］。

封装模块为Pyrex 7740玻璃腔体，采用硅-玻璃阳极键合的方式实现低真空封装结构。在微尺度下，空气阻尼对谐振器件的性能影响十分显著，低真空封装可以有效的减少空气阻尼、减少外部环境（灰尘，水分等）对振动能量采集芯片谐振特性的影响，提高输出性能［15］。硅-玻璃阳极键合是一种操作简单、成本较低的键合工艺，具有较高的链接强度和较好的真空密封性能，应用十分广泛。Pyrex 7744玻璃的膨胀系数（2.8×10-6/℃）与硅（2.6×10-6/℃）几乎一致，能够有效提高阳极键合成品率，提高封装效率。

2　结构参数优化

本文采用有限元方法对圆片级低真空封装MEMS压电振动能量收集器的结构参数进行了优化与分析。针对某特殊应用环境需求，振动能量收集器芯片的整体设计尺寸为12 mm×14 mm×0.5 mm，中心频率为610 Hz，在2 g～4 g加速度下悬臂梁的最大应力不超过230 MPa，为了降低圆片级低真空封装难度，悬臂梁末端的最大位移应尽可能的小。在满足以上各设定技术参数的情况下，采用有限元分析软件ANSYS对结构参数进行优化设计，以使MEMS压电振动能量收集器输出性能达到最佳。

2.1能量收集器芯片参数优化

ANSYS仿真得到的能量收集器芯片几何模型如图2所示。芯片的整体尺寸一定，因此质量块宽为14 mm；压电悬臂梁间间隙为0.1 mm，因此悬臂梁宽度为2.72 mm；质量块厚度0.5 mm。需要对悬臂梁长、悬臂梁厚、质量块长进行优化设计，而悬臂梁长与质量块长之和为12 mm，确定一个参数则另一个参数相应确定。由于MEMS加工中，长宽方向尺寸的加工比厚度方向尺寸更容易控制，因此论文在给定的悬臂梁厚度下，调节悬臂梁长以满足器件的频率要求；然后通过调节阻尼比，使悬臂梁应力达到最大许用应力，此时器件的输出达到最大。

图2　能量收集器芯片的ANSYS仿真图

本文对不同梁厚下，频率、输出功率、最大应力、最大位移和梁长的关系进行了仿真与分析，得到的关系曲线图如图3所示：（a）当梁厚超过135 μm时，芯片的工作频率将超过给定的中心频率610 Hz，因此本文梁厚应小于130 μm以满足谐振频率要求；（b）最大输出功率在梁长为3.55 mm时获得；（c）最大应力随梁长的增加而减小且全部满足给定应力（230 MPa）要求；（d）3.55 mm梁长下梁厚增大则末端位移减小。结合设计参数和输出性能最佳要求，能量收集器芯片的结构尺寸参数与对应的输出性能如表1所示。

图3　不同梁厚下，频率（a）、输出功率（b）、最大应力（c）、最大位移（d）和梁长的关系

表1　器件的结构尺寸与相应的输出

2.2封装模块参数优化

封装结构为能量收集器可动部分提供真空环境，因此封装玻璃腔体深度必须满足质量块最大位移要求、使能量收集器正常工作，同时玻璃最大厚度不应太大以便进行硅-玻璃键合。使用ANSYS进行分析腔体内外压力与玻璃应变关系（图4），可以得到在不同腔体深度下，腔体厚度与玻璃最大应力和位移关系曲线（图5）。可以看出：相同玻璃厚度下，玻璃应力随着腔体深度增大而增大；相同玻璃深度下，玻璃应力位移随玻璃厚度增大减小。Pyrex7740抗弯应力为64 MPa，当玻璃厚度大于200 μm时，腔体内外压力差造成的最大应力远小于封装玻璃的抗弯应力，因此玻璃厚度设计为200 μm，腔体深度设计为0.55 mm。

图4　玻璃腔的应力（a）与应变（b）分布

图5　不同腔体深度1.2 mm（a）、1.5 mm（b）下，腔体厚度与玻璃最大应力和位移关系曲线

3　加工工艺流程

合理的MEMS工艺流程设计能够有效提高器件的成品率，论文根据器件结构设计了圆片级低真空封装MEMS压电振动能量收集器加工工艺流程。由于压电悬臂梁厚度对MEMS压电振动能量收集器输出影响大，在加工中需要精确控制，因此选取双面抛光的SOI基片作为衬底；采用离子注入形成引线的工艺保证硅-玻璃键合后腔体的气密性；采用硅结构多次刻蚀的方法实现结构释放，解决ICP刻蚀过程中的散热问题。

主要加工工艺流程如图6所示：采用热氧化法在基片上双面生长SiO2层；通过光刻形成图形并离子注入形成引线；采用光刻与剥离工艺制备Ti/Pt下电极；通过溶胶凝胶法制备LaNiO3（LNO）及PZT压电层并图形化；采用磁控溅射金属Al光刻形成上电极；采用湿法腐蚀、ICP刻蚀等工艺形成悬臂梁图形、U型槽图形、以及质量块图形，硅结构多次刻蚀实现结构释放；通过玻璃硅键合实现低真空封装结构。

图6　器件的主要加工工艺流程图

4　总结

为了进一步提高MEMS压电振动能量收集器的输出性能，论文提出了基于圆片级低真空封装的MEMS压电振动能量收集器新结构；通过有限元仿真软件ANSYS对能量收集器结构进行了优化设计与分析，得到优化后的尺寸参数为：压电悬臂梁单元尺寸为2.72 mm×3.55 mm×0.125 mm，质量块尺寸为8.45 mm×14 mm×0.5 mm，封装玻璃厚度为200 μm，真空腔深度为0.55 mm；在该优化尺寸参数下对器件的输出性能进行仿真：在610 Hz、2gn加速度激励下，器件的输出电压为8.88 V，输出功率为1 220 μW，有效提高了能量收集器输出性能，满足微能源供电系统中实际应用需求。根据优化设计的器件结构参数设计了加工工艺流程，对器件的加工应用尤其是封装结构的实现以及对圆片级低真空封装工艺的探索具有重要意义。

［1］Kim K J，Cottone F，Goyal S，et al.Energy Scavenging for Energy Efficiency in Networks and Applications［J］.Bell Labs Technical Journal，2010，15（2）：7-29.

［2］Toprak A，Tigli O.MEMS Scale PVDF-TrFE-Based Piezoelectric Energy Harvesters［J］.Journal of Microelectromechanical Sys⁃tems，2015，24（6）：1989-1997.

［3］陈东红，安坤，燕乐，等.基于八悬臂梁-中心质量块结构MEMS压电振动能量采集器［J］.传感技术学报，2015，28（12）：1770-1773.

［4］佘引，温志渝，赵兴强，等.MEMS压电阵列振动能量收集器［J］.传感技术学报，2014，27（8）：1033-1037.

［5］张亚婷，丑修建，郭涛，等.振动驱动微能源技术研究进展［J］.微纳电子技术，2013，46（11）：242-247.

［6］王光庆，刘创，张伟，等.悬臂梁式压电双晶片振动能量采集器的模型与实验研究［J］.传感技术学报，2015，28（6）：819-824.

［7］Torunbalci M M，Alper S E，Akin T.Advanced MEMS Process for Wafer Level Hermetic Encapsulation of MEMS Devices Using SOI Cap Wafers With Vertical Feedthroughs［J］.Journal of Micro⁃electromechanical Systems，2015，24（3）：556-564.

［8］Duan A，Luu T T，Wang K，et al.Wafer-level Cu-Sn Micro-Joints with High Mechanical Strength and Low Sn Overflow［J］.Journal of Micromechanics&Microengineering，2015，25（9）：097001.

［9］Luo Z，Chen D，Wang J，et al.A high-Q Resonant Pressure Micro Sensor with Through-Glass Electrical Interconnections Based on SOI-Glass Anodic Bonding［J］.Sensors，2014，14（12）：24244-24257.

［10］Elfrink R，Pop V，Hohlfeld D，et al.First Autonomous Wireless Sensor Node Powered by a VACUUM-PACKAGED PIEZOELEC⁃TRIC MEMS ENERGY HARVEster［C］//IEEE，2009：507-510.

［11］陈德勇，曹明威，王军波，等.谐振式MEMS压力传感器的制作及圆片级真空封装［J］.光学精密工程，2014，22（5）：1235-1242.

［12］董艳.MEMS器件的W2W真空封装研究［J］.仪表技术与传感器，2015（5）：17-19.

［13］Deng L，Wen Z，Zhao X，et al.High Voltage Output MEMS Vibra⁃tion Energy Harvester in d31 Mode with PZT Thin Film［J］.Jour⁃nal of Microelectromechanical Systems，2014，23（4）：855-861.

［14］Wen Z，Deng L，Zhao X，et al.Improving Voltage Output with PZT Beam Array for MEMS-Based Vibration Energy Harvester：Theory and Experiment［J］.Microsystem Technologies，2015，21（2）：331-339.

［15］Esashi M.Wafer Level Packaging of MEMS［J］.Journal of Micro⁃mechanics&Microengineering，2008，18（7）：9-16.

张颖异（1991-），女，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为微能源与微纳米技术，zyymsc@cqu.edu.cn；

温志渝（1949-），男，重庆人，教授，博士生导师，主要研究方向为微型传感器系统和微型分析仪器，作为项目负责人承担和完成了40余项国家项目，申请发明专利30余项，获发专利14项，在国内外发表论文200余篇，wzy@cqu.edu.cn。

Structure Design of MEMS Piezoelectric Vibration Energy Harvester with Wafer-Level Low Vacuum Packaging*

ZHANG Yingyi1，WEN Zhiyu2，3*，DENG Licheng2，3
（1.No.44 Research Institute of CETC，Chongqing 400060，China；2.National Key Laboratory of Fundamental Science of Micro/Nano-Device and System Technology，Chongqing 400044，China；3.College of Optoelectronic Engineering of Chongqing University，Chongqing 400044，China）

MEMS low vacuum packaging technology can provide low damping environment for the movable part of MEMS devices，decrease the energy loss，and improve the energy conversion efficiency of the devices.So it has im⁃portant research significance and application prospects，and becomes the study hotspot and difficulty of MEMS tech⁃nology.In order to further improve the output performance of MEMS piezoelectric vibration energy harvester，this paper proposes a new structure of wafer-level low vacuum packaged and piezoelectric cantilever array fixed on one sharing mass based MEMS piezoelectric vibration energy harvester，and optimization design and analysis for struc⁃ture parameters of the device is done by finite element method.The output performance is simulated at the opti⁃mized parameters：at 610 Hz and 2 g acceleration，the output voltage of the device is 8.88 V，and the output power is 1 220 mW，which can satisfy the need of practical application.The process flow is designed on the basis of the de⁃vice structure，it will be of great importance in the realization of low vacuum packaging structure and the exploration of package technology.

MEMS；piezoelectric；vibration；energy harvesting；low vacuum packaging