一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置的制造方法

一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微机电技术领域，尤其涉及一种基于微加工技术的压电电磁集成发电
目.0
【背景技术】
[0002]微机电系统是指尺寸在几厘米以下的小型装置，它是一个独立的智能系统，主要由传感器、执行器和微能源三大部分组成。微机电系统因具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、能实现复杂功能、可批量制作、可集成的特点，使其在现代工业、农业、交通、生物、医学、航空、航天以及日常生活和家电领域拥有越来越广阔的应用前景。
[0003]微机电系统的设计、制造、集成化、封装、可靠性测试等共性技术推动了其发展，市场的需求带动了微机电系统的进步，而微机电技术与微米、纳米技术的结合，则给微机电系统带来了许多新的机遇和发展前景。利用微加工技术制作的MEMS产品已经广泛应用于无线传感网络、医疗与卫生、生物、环境监测、气象预报、信息通信和矿井检测等领域。随着MEMS无线传感器和MEMS器件的发展，它们的体积越来越小，功能越来越强，保障这些MEMS设备正常工作消耗的能量也随之增多，于是，供能已成为亟待解决的重点问题。目前，大部分微机电系统的供电仍采用微型化学电池，化学电池的性质决定了其寿命有限，因此，需要定期更换化学电池，以保证设备的正常工作。然而，随着MEMS设备的体积越来越小、结构设计越来越精密，微型化学电池的更换变得越来越困难。因此，替代传统微型化学电池，利用MEMS器件从工作环境中采集能量为微机电系统供能成为近些年广泛研宄的方向。振动型能量采集器是一种将振动能转化为电能的一种能量采集器件，因为几乎所有的器件、系统都在一定的振动环境下工作，所以振动型能量采集器得到了广泛的发展。现有的采用从环境中普遍存在的振动能驱动发电的微能源，其能量转换形式以压电式和电磁式为主，压电式微能源具有输出电压高、结构简单、易与包含硅体的微电子传感器集成和所需外围能量控制器件较少等优点，但其输出电流较低；电磁式微电源输出电流较大，但输出电压较低。因此，如何将压电和电磁两种能量转换结构集成在一个系统中，以实现微电源的能量转换效率和能量密度，成为本领域亟待解决的问题。
[0004]此外，MEMS器件从实验室走出投入到市场，进而得到实际应用的关键一步是MEMS封装，根据国外多项统计表明，MEMS封装成本占总制造成本的60 %至80 %。MEMS封装一般具有以下特点:器件结构多样性、器件功能多样性、器件材料多样性、器件工艺多样性等等。有些高级MEMS器件还需要在真空环境下工作，这时就需要对MEMS器件进行真空封装。真空封装技术是一个多年来未能攻克的技术难题，许多很有创意、具有潜在市场应用的MEMS器件由于没有可靠的真空封装技术，只能停留在实验室做功能演示。
[0005]由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提尚。

【发明内容】

[0006]本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种可实现发电装置的集成制造和真空封装，并可有效地将环境中的振动能转化为电能的基于微加工技术的压电电磁集成发电装置。
[0007]本发明所采用的技术方案为:
[0008]一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，包括衬底，衬底的上方设置有外壳和盖板，外壳的上部和下部均为开口结构，外壳的底端与衬底的上端面相键合，外壳的顶端与盖板的下端面之间设置有相互键合的焊片和金属环片，焊片的顶端与盖板的下端面相键合，金属环片的底端与外壳的顶端相键合，所述盖板、焊片、金属环片、外壳及衬底之间配合形成真空腔室，真空腔室内设置有边框，边框上设置有基板，基板上设置有压电发电机构和电磁发电机构。
[0009]所述真空腔室内加入吸气剂。
[0010]所述基板为PCB板，其中央开设有正方形的通口，所述压电发电机构包括硅基压电悬臂梁硅片单元，该硅基压电悬臂梁硅片单元包括第一硅层、下电极片、硅基压电悬臂梁和上电极片，硅基压电悬臂梁有四根，每根硅基压电悬臂梁均呈L型，四根硅基压电悬臂梁的中间设置有一块定位平台，定位平台的下端面上设置有圆柱形永磁铁，永磁铁与衬底的上端面之间留有振动间隙，第一硅层设置在基板的下端面上，下电极片位于第一硅层的下方，硅基压电悬臂梁位于上、下电极片之间，各硅基压电悬臂梁的短边上均设置有上电极引线点和下电极引线点；所述电磁发电机构包括微型平面感应线圈硅片单元，该微型平面感应线圈硅片单元包括第二硅层和微型平面感应线圈，第二硅层设置在基板的上端面上，微型平面感应线圈设置在第二硅层的下端面上且位于上述通口中间，微型平面感应线圈上设置有正极引线点和负极引线点，第二硅层的中央开设有引线孔；所述基板的下端面上设置有硅基压电悬臂梁接线点，基板的上端面上设置有微型平面感应线圈接线点。
[0011]第一硅层包括呈方框状的外围硅片，外围硅片的面积大于上述通口的面积，外围硅片的上端面与基板的下端面固连，外围硅片的内圈设置有与四根硅基压电悬臂梁和定位平台的安装形状相适配的内侧硅片；第一硅层的下表面上设置有第一二氧化硅层，上电极片和硅基压电悬臂梁之间设置有PZT压电材料层；第二硅层与微型平面感应线圈之间设置有第二二氧化硅层。
[0012]所述永磁铁采用烧结钕铁硼N-30作为永磁材料，永磁铁通过AB胶粘附在定位平台的中央。
[0013]所述硅基压电悬臂梁的末端内外拐角处呈45 °圆角。
[0014]所述硅基压电悬臂梁硅片单元与微型平面感应线圈硅片单元之间通过低温超声阳极键合工艺键合，使硅基压电悬臂梁与微型平面感应线圈之间保持500um至100um的距离。
[0015]所述上、下电极片均由Pt制成，在溅射Pt之前，需先在PZT压电材料层以及第一二氧化硅层上溅射一层50nm的Ti作为结合层；所述微型平面感应线圈与第二二氧化硅层之间溅射有一层40nm的Ti作为结合层。
[0016]所述衬底是由硅制成的，衬底的上端面镀有Au膜，形成与外部连接的薄膜型金属化布线，金属化布线的两端设置引线键合焊盘，上述压电发电机构的引线和电磁发电机构的引线通过热声键合工艺与引线键合焊盘相键合以实现能量的输出。
[0017]所述外壳是由陶瓷制成的，外壳的底端镀有Au膜；所述盖板的下表面和金属环片的上表面均镀有Ni和Au，金属环片通过共晶键合工艺键合在外壳的顶端面上，所述焊片为金锡焊料；所述边框的截面呈U型，边框是由陶瓷制成的，边框的下端面镀有Au膜，边框的下端面通过共晶键合工艺键合在衬底的上端面上，边框与外壳内壁之间、边框与盖板的下端面之间均留有间隙。
[0018]本发明还公开了一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置的制备方法，该制备方法包括如下步骤:
[0019]步骤1:制作四根硅基压电悬臂梁，各硅基压电悬臂梁呈L型，各硅基压电悬臂梁的末端内外拐角处均呈45°圆角，且硅基压电悬臂梁长的部分为3.5mm，短的部分为600um，厚度为lOOum，宽度为300um ;将四根硅基压电悬臂梁相对放置，并在四者形成的包围圈的中央处设置定位平台；
[0020]步骤2:制备掩膜版，选取100型硅片，对其单面进行抛光形成第一硅层，采用标准清洗，烘干后对抛光的第一硅层的表面进行热氧化形成第一二氧化硅层；
[0021]步骤3:甩正胶BP212、前烘、光刻、显影、后烘，用氢氟酸腐蚀第一硅层背面的第一二氧化硅层，去正胶，使用掩膜版，用KOH溶液刻蚀第一硅层另一面的硅杯，预留硅基压电悬臂梁释放的厚度为90um，双面对准刻蚀第一二氧化硅层从而释放出窗口图形；
[0022]步骤4:通过溅射工艺，在第一二氧化硅层表面先溅射一层50nm的Ti作为结合层，然后在结合层上溅射200nm的Pt ;甩负胶BN30 8、光刻、显影，用王水腐蚀Pt，用氢氟酸腐蚀Ti，使得下电极图形化，去负胶，使用掩膜版，得到下电极片；
[0023]步骤5:在下电极片的上表面通过匀胶一一凝胶法制备PZT压电材料层；
[0024]步骤6:通过溅射工艺，甩正胶BP212、光刻、显影、后烘，在PZT压电材料层表面先溅射一层50nm的Ti作为结合层，然后在结合层上溅射200nm的Pt ;去正胶，使用掩膜版，采用剥离工艺制作出上电极片；
[0025]步骤7:在上电极片上设置PZT薄膜作为上电极片的绝缘保护层；
[0026]步骤8:使用掩膜版，刻蚀硅基压电悬臂梁释放窗口、引脚的PZT和上、下电极片焊盘的PZT，反面ICP刻蚀，正面ICP刻透，释放硅基压电悬臂梁；在硅基压电悬臂梁的短边上设置上电极引线点和下电极引线点；
[0027]步骤9:选取100型硅片，对其单面进行抛光形成第二硅层，采用标准清洗，烘干后对抛光的第二硅层表面进行热氧化形成第二二氧化硅层，在第二硅层的背面采用湿法刻蚀，刻蚀娃杯，厚度留30um ;用正胶AZ702，光刻、显影，使用掩膜版，在第二二氧化娃层表面先派射一层40nm的Ti作为结合层，然后在结合层上派射Ium的Cu，然后在Cu表面派射一层50nm的Au作为保护层，采用剥离的方法制作出微型平面感应线圈，在微型平面感应线圈上设置正极引线点和负极引线点；采用干法刻蚀，在第二硅层的中央刻蚀出引线孔；
[0028]步骤10:将加工好的硅基压电悬臂梁的硅片和溅射微型平面感应线圈的硅片进行切片，单元大小为20mmX20mm ;选取截面尺寸为30mmX30mm的基板，中间挖出1mmX 1mm的通口 ；在基板的下端面上设置硅基压电悬臂梁接线点，基板的上端面上设置微型平面感应线圈接线点；
[0029]步骤11:通过热声键合工艺，把引线与微型平面感应线圈的正极引线点和负极引线点的引线键合焊盘，把键合好的引线穿过引线孔待用；把切割好的基板、溅射微型平面感应线圈的硅片以及加工硅基压电悬臂梁的硅片通过低温超声阳极键合工艺键合到一起，其中，溅射微型平面感应线圈的硅片在上方，且溅射微型平面感应线圈的一面朝下，基板夹在中间，加工硅基压电悬臂梁的硅片在下方且使含有PZT压电材料层的一面朝下，同时使硅基压电悬臂梁与微型平面感应线圈保持500um至100um的距离；把键合好的穿过引线孔的引线与基板的微型平面感应线圈接线点相键合，另选引线与硅基压电悬臂梁的上电极引线点和下电极引线点的引线键合焊盘键合，把键合好的引线与基板上的硅基压电悬臂梁接线点相键合；
[0030]步骤12:在四根硅基压电悬臂梁围成的定位平台的中央处均匀涂抹适量的AB胶，选取永磁铁粘附在定位平台上；
[0031]步骤13:给基板的微型平面感应线圈接线点和硅基压电悬臂梁接线点接线，测试发电装置的性能，待通过测试后，撤掉测试线，再用引线分别与基板的微型平面感应线圈接线点和硅基压电悬臂梁接线点通过热声键合工艺键合，键合好的引线待用；
[0032]步骤14:制作衬底和截面呈U型的边框，在边框的下端面上镀一层Au膜，通过共晶键合工艺把边框键合到衬底上，把键合好的基板固定到边框内，使永磁铁与衬底的上表面之间留有振动间隙；
[0033]步骤15:在衬底的上表面两端镀一层Au膜，形成与外部连接的薄膜型金属化布线，在金属化布线的两端设置引线键合焊盘，通过热声键合工艺，把步骤13中键合好的引线与衬底两端的金属化布线引线键合焊盘相键合，实现能量的输出；
[0034]步骤16:设置外壳和金属环片，外壳的上、下端面均为开口结构，把金属环片通过共晶键合工艺键合到外壳的上端面上，在外壳的下端面镀一层Au膜，通过共晶键合工艺，把外壳键合到衬底上；
[0035]步骤17:制作盖板和焊片，在盖板的下表面和金属环片的上表面镀一层Ni和Au，将键合好的上述器件用丙酮超声波清洗，去除表面油污，保证封装表面清洁，提高封装密封性；然后在真空干燥箱内烘烤20分钟，去除器件材料表面吸附的气体；
[0036]步骤18:将键合好的上述器件放入真空封装设备的特制夹具中，同时在外壳围成的真空腔室内加入吸气剂，在金属环片上依次放上焊片和盖板，对依次叠放的盖板、焊片、金属环片、外壳和衬底施加一定的压力，控制好合适的温度，通过回流焊接工艺，完成该发电装置的真空封装。
[0037]由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为:
[0038]1、本发明实现了压电和电磁的复合发电，可有效地将环境中的振动能转化为电能，输出的电压高、电流大、能量密度大、能量转换率高，从而为微机电系统提供持久、稳定、高效的能量。
[0039]2、本发明采用环境中普遍存在的振动能驱动，实现了微器件的自供能，工作寿命长、适应范围广。
[0040]3、本发明实现了发电装置的集成制造和真空封装，真空封装能够保证发电装置实现最大有效的工作状态，提高发电装置的能量输出，并延长其使用寿命。
【附图说明】
[0041]图1为本发明的半剖结构示意图。
[0042]图2为本发明的剖面立体结构示意图。
[0043]图3为本发明的中的基板从一侧看过去的结构示意图。
[0044]图4为本发明中的基板与边框装配后从一侧看过去的结构示意图。
[0045]图5为本发明中的基板与边框装配后从另一侧看过去的结构示意图。
[0046]图6为本发明中的压电发电机构和电磁发电机构的平面结构示意图。
[0047]图7为本发明中基板下端面的接线点布局图。
[0048]图8为本发明中基板上端面的接线点布局图。
[0049]图9为本发明中第一硅层的结构示意图。
[0050]图10为本发明中微型平面感应线圈的结构示意图。
[0051]其中，
[0052]1、盖板 2、外壳 3、焊片 4、边框 5、基板 6、第一娃层 7、第一二氧化硅层 8、下电极片 9、PZT压电材料层 10、上电极片 11、上电极引线点 12、下电极引线点 13、第二硅层 14、第二二氧化硅层 15、微型平面感应线圈 16、永磁铁 17、正极引线点 18、负极引线点 19、引线孔 20、金属环片 21、衬底 22、
真空腔室 23、硅基压电悬臂梁 24、硅基压电悬臂梁接线点 25、微型平面感应线圈接线点
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。
[0054]如图1和图2所示，一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，包括衬底21，衬底21的上方设置有外壳2和盖板1，外壳2的上部和下部均为开口结构，外壳2的底端通过共晶键合工艺键合在衬底21的上端面上，外壳2的顶端与盖板I的下端面之间设置有相互键合的焊片3和金属环片20，焊片3的顶端与盖板I的下端面相键合，金属环片20的底端与外壳2的顶端相键合，所述外壳2是由陶瓷制成的，其形状为长方形或正方形，外壳2的底端镀有Au膜；所述盖板I的下表面和金属环片20的上表面要求要有很好的平整性，因此其上表面均镀有Ni和Au，金属环片20通过共晶键合工艺键合在外壳2的顶端面上，所述焊片3为金锡焊料，在真空封装设备内，通过回流焊接工艺，将外壳2、金属环片20、焊片3和盖板I键合到一起并与上述衬板21配合形成真空腔室22，以避免空气中的细微颗粒对发电装置的影响，减小空气阻尼，提高发电装置的工作效率。
[0055]如图1和图2所示，所述真空腔室22内加入吸气剂，以减少外部气体泄漏和随温度升高各种材料中吸附的气体会释放出的影响，延长发电装置的使用寿命；所述真空腔室22内设置有边 框4，边框4上设置有基板5，基板5上设置有压电发电机构和电磁发电机构；所述衬底21是由硅制成的，衬底21的上端面镀有Au膜，形成与外部连接的薄膜型金属化布线，金属化布线的两端设置有引线键合焊盘，上述压电发电机构的引线和电磁发电机构的引线通过热声键合工艺与引线键合焊盘相键合以实现能量的输出；所述边框4的截面呈U型，边框4是由陶瓷制成的，边框4的下端面镀有Au膜，边框4的下端面通过共晶键合工艺键合在衬底21的上端面上，边框4与外壳2内壁之间、边框2与盖板I的下端面之间均留有间隙。
[0056]如图1至图10所示，所述基板5为30mmX30mm的正方形PCB板，其中央开设有1mmX 1mm的通口，所述压电发电机构包括娃基压电悬臂梁娃片单元，该娃基压电悬臂梁硅片单元包括第一硅层6、下电极片8、硅基压电悬臂梁23和上电极片10，硅基压电悬臂梁23有四根，实践得知，永磁铁的质量和悬臂梁的厚度对振动频率的影响最大，其次是悬臂梁的长度与宽度，环境振动的频率一般较低，然而当前研宄的硅基压电悬臂梁式能量采集器的固有频率一般较高，为了提高硅基压电悬臂梁振动能量采集器的输出性能，需要保证振动能量采集器的固有频率与外界环境振动频率相等，因此，为了降低硅基压电悬臂梁的固有频率，将每根硅基压电悬臂梁23均设置呈L型，且硅基压电悬臂梁23长的部分为3.5mm，短的部分为600um，厚度为lOOum，宽度为300um，把硅基压电悬臂梁23的末端内外拐角处作成45°圆角，以避免振动时因应力集中而导致悬臂梁发生断裂；四根硅基压电悬臂梁的中间设置有一块定位平台，定位平台的截面尺寸为3_X3mm，定位平台的下端面上设置有永磁铁16，该永磁铁16是半径为1_，高为2_的圆柱形磁铁，它采用烧结钕铁硼N-30作为永磁材料，永磁铁16通过AB胶粘附在定位平台的中央，永磁铁16与衬底21的上端面之间留有振动间隙，第一硅层6设置在基板5的下端面上，下电极片8位于第一硅层6的下方，第一硅层6包括呈方框状的外围硅片，外围硅片的面积大于上述通口的面积，外围硅片的上端面与基板5的下端面固连，外围硅片的内圈设置有与四根硅基压电悬臂梁和定位平台的安装形状相适配的内侧硅片；为了使下电极片8与外界绝缘，第一硅层6的下表面上设置有第一二氧化硅层7，上电极片10和硅基压电悬臂梁23之间设置有PZT压电材料层9，上电极片10用不定形的PZT薄膜作为上电极绝缘保护层；所述上、下电极片均由Pt制成，在溅射Pt之前，需先在PZT压电材料层9以及第一二氧化硅层7上溅射一层50nm的Ti作为结合层；硅基压电悬臂梁23位于上、下电极片之间，各硅基压电悬臂梁23的短边上均设置有上电极引线点11和下电极引线点12 ;所述电磁发电机构包括微型平面感应线圈硅片单元，该微型平面感应线圈硅片单元包括第二硅层13和微型平面感应线圈15，第二硅层13设置在基板5的上端面上，微型平面感应线圈15设置在第二硅层13的下端面上且位于上述通口中间，所述硅基压电悬臂梁硅片单元与微型平面感应线圈硅片单元之间通过低温超声阳极键合工艺键合，使硅基压电悬臂梁23与微型平面感应线圈15之间保持500um至100um的距离；微型平面感应线圈15上设置有正极引线点17和负极引线点18，第二硅层13的中央开设有引线孔19 ;为了使微型平面感应线圈15与外界绝缘，第二硅层13与微型平面感应线圈15之间设置有第二二氧化硅层14 ;所述微型平面感应线圈15与第二二氧化硅层14之间溅射有一层40nm的Ti作为结合层，此外，所述微型平面感应线圈15选用自阻损耗低的Cu作为制作材料，在Ti结合层表面上派射Ium的Cu,然后在Cu表面派射一层50nm的Au作为保护层，采用剥离的方法制作出微型平面感应线圈15，微型平面感应线圈15的高度为Ium ;所述基板5的下端面上设置有硅基压电悬臂梁接线点24，基板5的上端面上设置有微型平面感应线圈接线点25，上述引线孔19方便引线从微型平面感应线圈15的正极引线点17和负极引线点18引到基板5上的微型平面感应线圈接线点25。
[0057]本发明还公开了一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置的制备方法，该制备方法包括如下步骤:
[0058]步骤1:制作四根硅基压电悬臂梁，各硅基压电悬臂梁23呈L型，各硅基压电悬臂梁23的末端内外拐角处均呈45°圆角，且硅基压电悬臂梁23长的部分为3.5mm，短的部分为600um，厚度为lOOum，宽度为300um ;将四根硅基压电悬臂梁相对放置，并在四者形成的包围圈的中央处设置定位平台；
[0059]步骤2:制备掩膜版，选取100型硅片，对其单面进行抛光形成第一硅层6，采用标准清洗，烘干后对抛光的第一硅层6的表面进行热氧化形成第一二氧化硅层7 ;
[0060]步骤3:甩正胶BP212、前烘、光刻、显影、后烘，用氢氟酸腐蚀第一硅层背面的第一二氧化硅层7，去正胶，使用掩膜版，用KOH溶液刻蚀第一硅层6另一面的硅杯，预留硅基压电悬臂梁释放的厚度为90um，双面对准刻蚀第一二氧化硅层从而释放出窗口图形；
[0061]步骤4:通过溅射工艺，在第一二氧化硅层7表面先溅射一层50nm的Ti作为结合层，然后在结合层上溅射200nm的Pt ;甩负胶BN308、光刻、显影，用王水腐蚀Pt，用氢氟酸腐蚀Ti，使得下电极图形化，去负胶，使用掩膜版，得到下电极片8 ;
[0062]步骤5:在下电极片8的上表面通过匀胶——凝胶法制备PZT压电材料层9 ；
[0063]步骤6:通过溅射工艺，甩正胶BP212、光刻、显影、后烘，在PZT压电材料层9表面先溅射一层50nm的Ti作为结合层，然后在结合层上溅射200nm的Pt ;去正胶，使用掩膜版，采用剥离工艺制作出上电极片10 ;
[0064]步骤7:在上电极片10上设置PZT薄膜作为上电极片10的绝缘保护层；
[0065]步骤8:使用掩膜版，刻蚀硅基压电悬臂梁释放窗口、引脚的PZT和上、下电极片焊盘的PZT，反面ICP刻蚀，正面ICP刻透，释放硅基压电悬臂梁；在硅基压电悬臂梁23的短边上设置上电极引线点和下电极引线点；
[0066]步骤9:选取100型硅片，对其单面进行抛光形成第二硅层13，采用标准清洗，烘干后对抛光的第二硅层13表面进行热氧化形成第二二氧化硅层14，在第二硅层13的背面采用湿法刻蚀，刻蚀硅杯，厚度留30um ;甩正胶AZ702，光刻、显影，使用掩膜版，在第二二氧化硅层14表面先溅射一层40nm的Ti作为结合层，然后在结合层上溅射Ium的Cu，然后在Cu表面溅射一层50nm的Au作为保护层，采用剥离的方法制作出微型平面感应线圈15，在微型平面感应线圈15上设置正极引线点17和负极引线点18 ;采用干法刻蚀，在第二硅层13的中央刻蚀出引线孔19 ；
[0067]步骤10:将加工好的硅基压电悬臂梁的硅片和溅射微型平面感应线圈的硅片进行切片，单元大小为20mmX20mm ;选取截面尺寸为30mmX30mm的基板5，中间挖出1mmX 1mm的通口 ；在基板5的下端面上设置硅基压电悬臂梁接线点24，基板5的上端面上设置微型平面感应线圈接线点25 ;
[0068]步骤11:通过热声键合工艺，把引线与微型平面感应线圈15的正极引线点17和负极引线点18的引线键合焊盘，把键合好的引线穿过引线孔19待用；把切割好的基板5、溅射微型平面感应线圈15的硅片以及加工硅基压电悬臂梁23的硅片通过低温超声阳极键合工艺键合到一起，其中，溅射微型平面感应线圈15的硅片在上方，且溅射微型平面感应线圈15的一面朝下，基板5夹在中间，加工硅基压电悬臂梁23的硅片在下方且使含有PZT压电材料层9的一面朝下，同时使硅基压电悬臂梁23与微型平面感应线圈15保持500um至100um的距离；把键合好的穿过引线孔1 9的引线与基板5的微型平面感应线圈接线点25相键合，另选引线与硅基压电悬臂梁23的上电极引线点11和下电极引线点12的引线键合焊盘键合，把键合好的引线与基板5上的硅基压电悬臂梁接线点24相键合；
[0069]步骤12:在四根硅基压电悬臂梁围成的定位平台的中央处均匀涂抹适量的AB胶，选取永磁铁16粘附在定位平台上；
[0070]步骤13:给基板5的微型平面感应线圈接线点25和硅基压电悬臂梁接线点24接线，测试发电装置的性能，待通过测试后，撤掉测试线，再用引线分别与基板5的微型平面感应线圈接线点25和硅基压电悬臂梁接线点24通过热声键合工艺键合，键合好的引线待用；
[0071]步骤14:制作衬底21和截面呈U型的边框4，在边框4的下端面上镀一层Au膜，通过共晶键合工艺把边框4键合到衬底21上，把键合好的基板5固定到边框4内，使永磁铁16与衬底21的上表面之间留有振动间隙；
[0072]步骤15:在衬底21的上表面两端镀一层Au膜，形成与外部连接的薄膜型金属化布线，在金属化布线的两端设置引线键合焊盘，通过热声键合工艺，把步骤13中键合好的引线与衬底21两端的金属化布线引线键合焊盘相键合，实现能量的输出；
[0073]步骤16:设置外壳2和金属环片20，外壳2的上、下端面均为开口结构，把金属环片20通过共晶键合工艺键合到外壳2的上端面上，在外壳2的下端面镀一层Au膜，通过共晶键合工艺，把外壳2键合到衬底21上；
[0074]步骤17:制作盖板I和焊片3，在盖板I的下表面和金属环片20的上表面镀一层Ni和Au，将键合好的上述器件用丙酮超声波清洗，去除表面油污，保证封装表面清洁，提高封装密封性；然后在真空干燥箱内烘烤20分钟，去除器件材料表面吸附的气体；
[0075]步骤18:将键合好的上述器件放入真空封装设备的特制夹具中，同时在外壳2围成的真空腔室内加入吸气剂，在金属环片20上依次放上焊片3和盖板1，对依次叠放的盖板1、焊片3、金属环片20、外壳2和衬底21施加一定的压力，控制好合适的温度，通过回流焊接工艺，完成该发电装置的真空封装。
[0076]本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
[0077]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0078]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1.一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，其特征在于:包括衬底，衬底的上方设置有外壳和盖板，外壳的上部和下部均为开口结构，外壳的底端与衬底的上端面相键合，外壳的顶端与盖板的下端面之间设置有相互键合的焊片和金属环片，焊片的顶端与盖板的下端面相键合，金属环片的底端与外壳的顶端相键合，所述盖板、焊片、金属环片、外壳及衬底之间配合形成真空腔室，真空腔室内设置有边框，边框上设置有基板，基板上设置有压电发电机构和电磁发电机构。2.根据权利要求1所述的一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，其特征在于:所述真空腔室内加入吸气剂。3.根据权利要求1所述的一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，其特征在于:所述基板为PCB板，其中央开设有正方形的通口，所述压电发电机构包括硅基压电悬臂梁硅片单元，该硅基压电悬臂梁硅片单元包括第一硅层、下电极片、硅基压电悬臂梁和上电极片，硅基压电悬臂梁有四根，每根硅基压电悬臂梁均呈L型，四根硅基压电悬臂梁的中间设置有一块定位平台，定位平台的下端面上设置有圆柱形永磁铁，永磁铁与衬底的上端面之间留有振动间隙，第一硅层设置在基板的下端面上，下电极片位于第一硅层的下方，硅基压电悬臂梁位于上、下电极片之间，各硅基压电悬臂梁的短边上均设置有上电极引线点和下电极引线点；所述电磁发电机构包括微型平面感应线圈硅片单元，该微型平面感应线圈硅片单元包括第二硅层和微型平面感应线圈，第二硅层设置在基板的上端面上，微型平面感应线圈设置在第二硅层的下端面上且位于上述通口中间，微型平面感应线圈上设置有正极引线点和负极引线点，第二硅层的中央开设有引线孔；所述基板的下端面上设置有硅基压电悬臂梁接线点，基板的上端面上设置有微型平面感应线圈接线点。4.根据权利要求3所述的一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，其特征在于:第一硅层包括呈方框状的外围硅片，外围硅片的面积大于上述通口的面积，外围硅片的上端面与基板的下端面固连，外围硅片的内圈设置有与四根硅基压电悬臂梁和定位平台的安装形状相适配的内侧硅片；第一硅层的下表面上设置有第一二氧化硅层，上电极片和硅基压电悬臂梁之间设置有PZT压电材料层；第二硅层与微型平面感应线圈之间设置有第二二氧化硅层。5.根据权利要求3所述的一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，其特征在于:所述永磁铁采用烧结钕铁硼N-30作为永磁材料，永磁铁通过AB胶粘附在定位平台的中央。6.根据权利要求3所述的一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，其特征在于:所述硅基压电悬臂梁的末端内外拐角处呈45°圆角。7.根据权利要求3所述的一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，其特征在于:所述硅基压电悬臂梁硅片单元与微型平面感应线圈硅片单元之间通过低温超声阳极键合工艺键合，使硅基压电悬臂梁与微型平面感应线圈之间保持500um至100um的距离。8.根据权利要求4所述的一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，其特征在于:所述上、下电极片均由Pt制成，在溅射Pt之前，需先在PZT压电材料层及第一氧化硅层上溅射一层50nm的Ti作为结合层；所述微型平面感应线圈与第二二氧化硅层之间溅射有一层40nm的Ti作为结合层。9.根据权利要求1所述的一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，其特征在于:所述衬底是由硅制成的，衬底的上端面镀有Au膜，形成与外部连接的薄膜型金属化布线，金属化布线的两端设置引线键合焊盘，上述压电发电机构的引线和电磁发电机构的引线通过热声键合工艺与引线键合焊盘相键合以实现能量的输出。10.根据权利要求1所述的一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，其特征在于:所述外壳是由陶瓷制成的，外壳的底端镀有Au膜；所述盖板的下表面和金属环片的上表面均镀有Ni和Au，金属环片通过共晶键合工艺键合在外壳的顶端面上，所述焊片为金锡焊料；所述边框的截面呈U型，边框是由陶瓷制成的，边框的下端面镀有Au膜，边框的下端面通过共晶键合工艺键合在衬底的上端面上，边框与外壳内壁之间、边框与盖板的下端面之间均留有间隙。
【专利摘要】本发明公开了一种基于微加工技术的压电电磁集成发电装置，包括衬底，衬底的上方设置有外壳和盖板，外壳的上部和下部均为开口结构，外壳的底端与衬底的上端面相键合，外壳的顶端与盖板的下端面之间设置有相互键合的焊片和金属环片，焊片的顶端与盖板的下端面相键合，金属环片的底端与外壳的顶端相键合，所述盖板、焊片、金属环片、外壳及衬底之间配合形成真空腔室，真空腔室内设置有边框，边框上设置有基板，基板上设置有压电发电机构和电磁发电机构。本发明实现了压电和电磁的复合发电，可将环境中的振动能转化为电能，输出的电压高、电流大、能量密度大、能量转换率高，能够为微机电系统提供持久、稳定、高效的能量。
【IPC分类】H02K35/02, H02N2/18
【公开号】CN104883091
【申请号】CN201510205853
【发明人】杜小振, 张龙波, 曾祥伟, 朱文斗, 张燕
【申请人】山东科技大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月28日