基于MEMS的振动能量采集及其器件设计

论文摘要

随着现代技术的飞速发展,逐步实现了从短距离到长距离,从有线通讯到无线通讯的转变,然而电池与电源线束缚了发展的空间。采用能量采集器收集工作周围环境的各种形式的能量,例如太阳能,热能,风能和振动能等,转换成适宜的电能供器件使用。能量采集器可以无限长的为器件提供能量进行正常的工作,而无需更换电池或需要牵引电源线,这为一些无法或者困难更换的电池的传感器设备提供长久正常的工作,例如在桥梁,大楼,汽车中使用的传感器等,且为实现网络节点之间的正常传输提供了能源基础。本文利用普遍存在于自然界与工业界中的振动能设计了振动能量采集器。微能量收集器有广泛的应用前景,其中电容式微能量收集器由于其最容易与IC工艺集成而备受关注。但目前已知的传统电容式微能量收集器都需要外加电压,这一缺点很大程度上限制了电容式微能量收集器的实际使用。本文所提出的这种采用功函数原理电容式微能量收集器,由于上下极板采用了不同的金属材料使得具有不同的功函数,因此通过将两极板无限接近能产生接触电势差,从而克服了传统电容式微能量收集器需要外界提供电源的这一缺点。在此理论基础上,设计了一个新型振动能量搜集器,并通过有限元软件对其进行分析与优化设计。最后,本文给出了一套完整的MEMS（MicroElectro Mechanical System）工艺流程,器件为玻璃-SOI（Silicon-On-Insulator）-玻璃三层结构组合,采用阳极键合的方式,形成三明治结构。质量块,悬臂梁及可动电极Al结构部分在SOI晶片上构造,上层玻璃结构为不可动电极Pt与防止两极板粘结的柱子,同时上下层玻璃结构都具有一定深度的凹槽,它不仅可以限制质量块振动幅度,保证悬臂梁振动时不会超过硅的最大应力强度,而且起到一定的保护作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 能量采集器概述
• 1.2 发展现状与发展趋势
• 1.2.1 电磁式
• 1.2.2 压电式
• 1.2.3 电容式
• 1.3 选题意义
• 1.4 本论文主要研究任务
• 第二章 振动能量采集器的工作原理与结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 工作原理
• 2.3 振动能力采集器的模型设计
• 2.4 器件尺寸设计与模拟
• 2.4.1 ANSYS软件大致介绍
• 2.4.2 器件整体设计ANSYS模拟分析
• 2.4.3 ANSYS模拟的模态分析
• 2.4.4 ANSYS谐响应分析
• 2.4.5 Matlab模拟分析
• 2.5 小结
• 第三章 振动能量采集器的制作工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 基本工艺介绍
• 3.2.1 氧化介绍
• 3.2.2 光刻工艺
• 3.2.3 剥离工艺
• 3.3 基本工艺参数
• 3.3.1 所选择的晶片具体性能与参数
• 3.3.2 晶片进行标准清洗
• 3.3.3 氧化前清洗
• 3.3.4 光刻工艺
• 3.3.5 玻璃晶片清洗
• 3.3.6 溅射前清洗
• 3.3.7 去胶清洗
• 3.3.8 掩模板的清洗
• 3.3.9 腐蚀AL
• 3.4 工艺流程安排
• 3.4.1 SOI部分的工艺流程
• 3.4.2 上层玻璃部分的工艺流程
• 3.4.3 下层玻璃部分的工艺流程
• 3.4.4 键合
• 3.4.5 cell释放
• 3.5 掩模板的制作
• 3.5.1 制作掩模板的软件简单介绍
• 3.5.2 掩模板
• 3.6 技术难点
• 3.6.1 玻璃腐蚀工艺方法与掩模制备
• 3.6.2 深度反应离子腐蚀（DRIE）工艺
• 3.6.3 键合工艺
• 3.7 制作出振动能量采集器
• 3.8 小结
• 第四章 测试
• 4.1 引言
• 4.2 振动平台建立与基本测试电路
• 4.2.1 测试原理
• 4.2.2 仪器的选择
• 4.3 功率测试电路制作
• 4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士阶段发表的论文