MEMS能量采集器及其制作方法与流程

mems能量采集器及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及微机械领域，尤其涉及一种mems能量采集器及其制作方法。


背景技术：

2.能量采集器是微机械领域的一个重要元件。该元件通过磁性元件的谐振来采集环境中的电磁波能量，并将其转化成电能。该元件可以用于信号采集和信号转换，也可以反向用作能量输出。无论是何种用途，该元件需要解决的一个重要问题是如何高效的实现磁性元件的振动机械能与电能之间的转换。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是，提供一种mems能量采集器及其制作方法，能够提高磁性元件的振动机械能与电能之间的转换效率。
4.为了解决上述问题，本发明提供了一种mems能量采集器，包括：衬底，所述衬底具有一中空部；磁芯，所述磁芯可动设置在所述中空部内；线圈，所述线圈埋设在所述衬底内并环绕所述磁芯和中空部设置；悬臂梁，所述悬臂梁连接所述磁芯与所述衬底，所述悬臂梁内包括一压电材料层。
5.为了解决上述问题，本发明提供了一种mems能量采集器的制作方法，包括如下步骤：提供一衬底；在所述衬底内埋设线圈；在所述线圈的表面形成悬臂梁，所述悬臂梁内包括压电材料层；镂空所述衬底内的被所述线圈环绕处形成中空部，并在所述中空部形成悬置的磁芯，所述磁芯与所述悬臂梁的悬空部固接。
6.上述技术方案所涉及的能量采集器，其磁芯被精准的设置在线圈所在平面内，且通过压电材料层悬置。故在磁芯发生移动时，能够最大效率的将动能同时通过线圈和压电材料层转化为电能，提高能量采集效率。
附图说明
7.附图1所示是本发明所述mems能量采集器制作方法一具体实施方式的实施步骤示意图。
8.附图2a至附图2h所示是本发明所述mems能量采集器制作方法一具体实施方式的工艺流程图。
9.附图3所示是本发明所述mems能量采集器制作方法一具体实施方式的实施步骤示意图。
10.附图4a至附图4c所示是本发明所述mems能量采集器制作方法一具体实施方式的工艺流程图。
具体实施方式
11.下面结合附图对本发明提供的mems能量采集器及其制作方法的具体实施方式做
详细说明。
12.附图1所示是本发明所述mems能量采集器制作方法一具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤s10，提供一衬底；步骤s11，在所述衬底内形成沟槽；步骤s12，在沟槽内埋设金属材料，形成线圈；步骤s13，在所述衬底的正面形成压电感应复合层；步骤s14，图形化所述压电感应复合层，形成悬臂梁；步骤s15，减薄所述衬底的背面；步骤s16，在所述衬底内的被所述线圈环绕处形成中空部；步骤s17，从背面组装粘合一磁性质量块至悬臂梁形成磁芯。
13.附图2a所示，参考步骤s10，提供一衬底20。所述衬底20的材料可以是单晶硅，或者是其他任意一种常见的衬底材料。
14.附图2b所示，参考步骤s11，在所述衬底20内形成沟槽21。形成沟槽21的方法包括但不限于干法刻蚀或湿法腐蚀，采用合适的刻蚀气体或腐蚀液形成预定形状的沟槽21。由于沟槽21的用途在于作为形成线圈的容置空间，故沟槽21在俯视角度的形貌应当选自于同心的圆形、矩形、多边形等环形闭合形状中的一种，并内外联通。
15.附图2c所示，参考步骤s12，在沟槽21内埋设金属材料，形成线圈22。埋设金属材料的工艺选自于电镀以及液态金属填充中的一种。在生长的过程中可以首先对衬底表面覆盖连续的金属层，再通过腐蚀或者研磨工艺去除表面的金属层，保留沟槽21内的金属材料，形成线圈22。
16.上述步骤s11和s12实施完毕后，即在所述衬底内埋设线圈。在其他的具体实施方式中，也可以选择溅射、蒸发、以及物理气相沉积工艺等方式埋设金属，形成沟槽21的工艺也不限于干法腐蚀或湿法刻蚀。在其他的具体实施方式中，也可以采用先形成连续的金属层，再图形化成线圈并在线圈的缝隙中填充绝缘介质的方式在衬底表面形成线圈22。
17.附图2d所示，参考步骤s13，在所述线圈22的表面形成压电感应复合层23。在本具体实施方式中，所述压电感应复合层23自所述线圈22的表面依次包括第一绝缘层221、第一电极层222、压电材料层223、第二电极层224、以及第二绝缘层225。第一绝缘层221以及第二绝缘层225的材料可以各自独立的选自于氧化硅、氮化硅、以及氮氧化硅中的任意一种，并采用外延工艺形成。第一电极层222和第二电极层224的材料为金属材料，并采用溅射、蒸发、以及物理气相沉积工艺等方式形成。压电材料层223的材料为压电陶瓷或氮化铝。
18.附图2e所示，参考步骤s14，图形化所述压电感应复合层23，形成悬臂梁24。图形化工艺采用干法刻蚀或湿法腐蚀，针对不同的材料选用不同的刻蚀或腐蚀工艺，形成由尤其包括压电材料层223的压电感应复合层23构成的悬臂梁24。悬臂梁24尤其要与线圈22连接，并延申至被线圈22环绕的区域，以便于后续的图形释放。
19.上述步骤s13和s14实施完毕后，即在所述线圈22的表面形成悬臂梁24，所述悬臂梁24内包括压电材料层223。在其他的具体实施方式中，也可以先形成悬臂梁结构，再利用光刻和腐蚀工艺在悬臂梁上定义出压电复合层，也应当被视为上述技术方案的一种可选的实施方式。
20.附图2f所示，参考步骤s15，减薄所述衬底20的背面。减薄工艺可以选用机械研磨、化学腐蚀、以及机械研磨结合化学腐蚀的方式。
21.附图2g所示，参考步骤s16，在所述衬底20内的被所述线圈22环绕处形成中空部25。可以采用干法刻蚀或湿法腐蚀，采用合适的刻蚀气体或腐蚀液形成中空部25。由于悬臂
梁24延申至被线圈22环绕的区域，因此形成中空部25后悬臂梁24呈悬空状态。在本具体实施方式中，悬臂梁24的自由端悬空，而在另外的具体实施方式中，也可以是悬臂梁的两端固定于线圈22表面，中部悬空于中空部25。
22.附图2h所示，参考步骤s17，从背面组装粘合一磁性质量块26至悬臂梁形成磁芯。所述磁芯的材料为金属或者磁性聚合物复合材料，粘合可以采用环氧树脂等粘合剂，采用微组装的方式进行。在本具体实施方式中，磁性质量块26即为可动的磁芯。
23.上述步骤s15至s17实施的目的在于镂空所述衬底20内的被所述线圈22环绕处形成中空部25，并在所述中空部25形成悬置的磁芯，所述磁芯与所述悬臂梁24的悬空部固接。在本具体实施方式中，所述磁芯为磁性质量块26。
24.上述步骤实施完毕后，即获得一mems能量采集器，如附图2h所示，包括衬底20、磁性质量块26、线圈22以及悬臂梁24。所述衬底20具有一中空部25。磁芯，在本具体实施方式中为磁性质量块26，可动设置在所述中空部25内。线圈22埋设在所述衬底20内并环绕所述磁性质量块26和中空部25设置。悬臂梁24连接所述磁性质量块26与所述衬底20，所述悬臂梁25内包括一压电材料层223。
25.上述结构中，磁芯被精准的设置在线圈所在平面内，且通过压电材料层悬置。故在磁芯发生移动时，能够最大效率的将动能同时通过线圈和压电材料层转化为电能，提高能量采集效率。
26.附图3所示是本发明所述mems能量采集器制作方法一具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤s30，提供一衬底；步骤s31，在所述衬底内形成沟槽；步骤s32，在沟槽内埋设金属材料，形成线圈；步骤s33，在所述衬底的正面形成压电感应复合层；步骤s34，图形化所述压电感应复合层，形成悬臂梁；步骤s35，减薄所述衬底的背面；步骤s36，从背面在衬底内于所述悬臂梁相对应的位置形成一通孔；步骤s37，采用磁性材料填充所述通孔形成磁芯；步骤s38，去除所述磁芯与所述线圈之间的衬底材料，在所述衬底内的被所述线圈环绕处形成中空部，并使所述磁芯呈悬置状。
27.步骤s30至s35的叙述参见前一具体实施方式。
28.附图4a所示，参考步骤s36，从背面在衬底20内于所述悬臂梁24相对应的位置形成一通孔36。可以采用干法刻蚀或湿法腐蚀，采用合适的刻蚀气体或腐蚀液形成通孔36。
29.附图4b所示，参考步骤s37，采用磁性材料填充所述通孔36形成磁芯37。所述磁芯的材料为金属或者磁性聚合物复合材料，可以采用电镀、液态金属填充、溅射、蒸发、以及物理气相沉积工艺等方式形成。填充的步骤可以是首先形成连续的金属层，再抛光或刻蚀成填充结构。
30.附图4c所示，参考步骤s38，去除所述磁芯37与所述线圈22之间的衬底材料，在所述衬底20内的被所述线圈22环绕处形成中空部35，并使所述磁芯37呈悬置状。去除工艺可以采用干法刻蚀或湿法腐蚀，针对不同的材料选用不同的刻蚀或腐蚀工艺。
31.上述步骤s35至s38实施的目的在于镂空所述衬底20内的被所述线圈22环绕处形成中空部35，并在所述中空部35形成悬置的磁芯37，所述磁芯37与所述悬臂梁24的悬空部固接。
32.上述步骤实施完毕后，即获得一mems能量采集器，如附图4c所示，包括衬底20、磁芯37、线圈22以及悬臂梁24。所述衬底20具有一中空部35。磁芯37可动设置在所述中空部35
内。线圈22埋设在所述衬底20内并环绕所述磁芯37和中空部35设置。悬臂梁24连接所述磁芯37与所述衬底20，所述悬臂梁25内包括一压电材料层223。
33.上述结构中，磁芯被精准的设置在线圈所在平面内，且通过压电材料层悬置。故在磁芯发生移动时，能够最大效率的将动能同时通过线圈和压电材料层转化为电能，提高能量采集效率。
34.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。