專利名稱：靜電式振動(dòng)能量采集器構(gòu)件以及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振動(dòng)能量采集器，特別涉及靜電式振動(dòng)能量采集器的構(gòu)件以及這些構(gòu) 件的制造方法。
背景技術(shù)：
能量采集(energy harvesting)是指采集環(huán)境的能源，如熱、輻射或動(dòng)能并轉(zhuǎn)換成 為電能。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems =MEMS)技術(shù)和超低能耗的集 成電路設(shè)計(jì)的進(jìn)展，電路和器件的尺寸以及驅(qū)動(dòng)它們所需能量都正在顯著減少。這些所需 能量量級(jí)已進(jìn)入能量采集器(energy harvester)所能提供能量的范圍。因此能量采集器正 在成為取代電池為這些電路和器件(如無(wú)線傳感器和人體植入式裝置)供能的替代方案。從振動(dòng)能轉(zhuǎn)換到電能是能量采集方式的一種。其中由振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的方法有 三種，分別是靜電式、電磁式和壓電式。靜電能量采集器包含有至少一個(gè)可變電容構(gòu)件。此 可變電容的兩個(gè)帶電極板形成一個(gè)電場(chǎng)。靜電能量采集器即從環(huán)境的振動(dòng)對(duì)此電場(chǎng)做功而 萃取能量。與同屬于振動(dòng)能轉(zhuǎn)換的電磁和壓電能量采集器相比，靜電能量采集器的顯著優(yōu) 點(diǎn)在于其可以很容易用MEMS微制造技術(shù)(如硅微制造技術(shù))制成適用于微系統(tǒng)的具亞微 米級(jí)精度的微型產(chǎn)品(如硅基微靜電能量采集器)。硅基微靜電能量采集器可用類似于集 成電路的制程技術(shù)而得以大規(guī)模低成本生產(chǎn)并更可與同為硅基的微電子集成電路、器件和 微系統(tǒng)直接整合在一起而實(shí)現(xiàn)完全自供能的能獨(dú)立運(yùn)行的不含電池的微系統(tǒng)。由于能量采集器的能量輸出范圍在微瓦到毫瓦之間，輸出盡可能多電能是能量采 集器發(fā)展和研制的主要目標(biāo)。然而由于目前微制造技術(shù)的限制，靜電能量采集器只能被制 成簡(jiǎn)單的僅含單層可變電容構(gòu)件而極大地限制其對(duì)于振動(dòng)能的采集和電能的輸出。圖1A-1C示意性地描述了一個(gè)典型的由現(xiàn)有硅微制造技術(shù)所制備的硅基靜電能 量采集器的機(jī)械構(gòu)件部分的軸測(cè)圖。這個(gè)例子用來(lái)理解靜電能量采集器構(gòu)件的組成和用來(lái) 與本發(fā)明所提供的構(gòu)件作比較。圖IA是此構(gòu)件的整體軸測(cè)圖。圖1B-1C是此構(gòu)件分解后的 軸測(cè)圖。此能量采集器構(gòu)件由一個(gè)可變電容構(gòu)件層100、由四個(gè)分離的支撐塊或錨點(diǎn)(104、 106、108和110)所組成的支撐層、以及基體層102所連接組合在一起。在本發(fā)明中，可變電 容構(gòu)件指的是包含至少一個(gè)固定電極和一個(gè)可動(dòng)電極并組成至少一個(gè)可變電容器。在圖1 這個(gè)例子中，可變電容構(gòu)件層100是由兩個(gè)固定電極(114和116)、一個(gè)可動(dòng)電極112和兩 個(gè)支撐梁(118和120)所組成。兩個(gè)固定電極114和116分別固定在支撐塊104和106上。兩個(gè)支撐梁118和 120通過(guò)其上位置122和124分別固定在支撐塊108和110上。兩個(gè)支撐梁支承可動(dòng)電極 112懸浮在基體層102上方。支撐梁可經(jīng)設(shè)計(jì)而使得可動(dòng)電極按所需方向運(yùn)動(dòng)。如可使得 可動(dòng)電極沿X或Y方向運(yùn)動(dòng)。在本例中，兩個(gè)支撐梁可使可動(dòng)電極在振動(dòng)下沿Y方向運(yùn)動(dòng)。 兩個(gè)固定電極的梳齒狀電極分別和可動(dòng)電極的兩組梳齒狀電極互相交替排列而形成兩個(gè) 梳齒狀叉指可變電容器。可動(dòng)電極112同時(shí)也充當(dāng)移動(dòng)質(zhì)量塊。此硅基能量采集器機(jī)械構(gòu)件的三層結(jié)構(gòu)可經(jīng)由加工一塊SOKSilicon-On-Insulator 絕緣層上硅晶片)晶片而獲得。SOI晶片由兩片硅晶片和夾 在它們中間的二氧化硅絕緣層所組成。其中一塊硅晶片可作為基體層。二氧化硅絕緣層可 加工而形成包含支撐塊或錨點(diǎn)的支撐層。另一塊硅晶片可由深反應(yīng)離子刻蝕法(DRIE)加 工而得到可變電容構(gòu)件層。此能量采集器機(jī)械構(gòu)件再配以合適的處理電路即可形成一個(gè)整 體靜電能量采集器而萃取、轉(zhuǎn)化和輸出能量。靜電能量采集器的能量采集和輸出受制于其所含的可變電容器電容變化量大小 和移動(dòng)質(zhì)量塊的質(zhì)量大小。這就要求可變電容構(gòu)件層有盡可能大的厚度。然而可加工而得 的可變電容構(gòu)件層厚度不僅受限于深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)本身，而且還受限于梳齒狀叉指的 結(jié)構(gòu)尺寸(即高寬比)。另外，硅材料本身較低的質(zhì)量密度(2.33g/cm3)也限制了移動(dòng)質(zhì)量 塊的質(zhì)量大小。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，由于現(xiàn)有靜電能量采集器的簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)(即僅包含單層可變電容構(gòu) 件層)而極大地限制了對(duì)環(huán)境振動(dòng)能量的萃取、轉(zhuǎn)化和輸出，因而限制了其更廣泛的應(yīng)用。 本發(fā)明的目的是提供全新的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件以及這些構(gòu)件的制造方法，從而使得 含有這些構(gòu)件的靜電能量采集器能夠從環(huán)境振動(dòng)中采集和轉(zhuǎn)化更多的振動(dòng)能和或能從含 有多個(gè)不同特征振動(dòng)頻率或振動(dòng)范圍的環(huán)境振動(dòng)中采集振動(dòng)能，從而使得含有本發(fā)明的機(jī) 械構(gòu)件的靜電能量采集器能實(shí)現(xiàn)更大范圍的應(yīng)用。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)1.在可變電容構(gòu)件層中的可動(dòng)電極中加入比可動(dòng)電極基體材料質(zhì)量密度更高的 材料和或在可動(dòng)電極的一個(gè)或兩個(gè)面上連接有質(zhì)量塊。2.連接兩層或更多層的可變電容構(gòu)件層而形成多層可變電容構(gòu)件層。3.連接至少兩層可變電容構(gòu)件層和至少一層移動(dòng)質(zhì)量層而形成多層可變電容構(gòu) 件層。4.形成兩層或更多層的獨(dú)立的互不連接的可變電容構(gòu)件層。對(duì)于本發(fā)明中的硅基靜電能量采集器的機(jī)械構(gòu)件，本發(fā)明也提供了一種制造方 法。這種制造方法首先把所要制造的機(jī)械構(gòu)件在設(shè)計(jì)時(shí)沿其縱向把它分成一系列獨(dú)立的結(jié) 構(gòu)層，然后制造和連接這些獨(dú)立結(jié)構(gòu)層而形成所要的機(jī)械構(gòu)件。針對(duì)含有兩個(gè)或兩個(gè)以上 互不連接的獨(dú)立的特征硅結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層，可使用至少一種犧牲材料來(lái)暫時(shí)連接上述的獨(dú)立 特征結(jié)構(gòu)從而形成一個(gè)可制造的一體結(jié)構(gòu)層。如果需要，還可在所需的獨(dú)立結(jié)構(gòu)層的制造 過(guò)程中，加入所需的比硅質(zhì)量密度高的材料。最后，根據(jù)需要，犧牲材料可在后續(xù)制造步驟 中或部分或全部去除。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明提供了能夠采集和轉(zhuǎn)化更多的振動(dòng)能以及輸出更多的電能的靜電能量 采集器機(jī)械構(gòu)件。2.本發(fā)明提供了具有更大的可變電容容量的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件。3.本發(fā)明提供了具有更大的移動(dòng)質(zhì)量的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件。4.本發(fā)明提供了具有更小的寄生電容(parasitic capacitance)的靜電能量采 集器機(jī)械構(gòu)件。
5.本發(fā)明提供了能從兩個(gè)或兩個(gè)以上不同振動(dòng)頻率或振動(dòng)范圍采集環(huán)境振動(dòng)能 的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件。6.本發(fā)明提供了一種制造多層硅基靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的方法。此方法克服 了現(xiàn)有硅微制造技術(shù)的限制，可制造具有復(fù)雜幾何形狀的三維器件或結(jié)構(gòu)。此方法包含簡(jiǎn) 單和重復(fù)的工藝步驟，適合于大規(guī)模低成本生產(chǎn)本發(fā)明所提供的硅基靜電能量采集器機(jī)械 構(gòu)件。7.本發(fā)明提供了一種制造包含有硅的兩種或兩種以上材料的結(jié)構(gòu)層的方法，如結(jié) 構(gòu)層可包含犧牲材料和比硅質(zhì)量密度高的材料。8.本發(fā)明提供了一種制造包含兩個(gè)或兩個(gè)以上互不連接的硅的特征結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 層的方法。9.本發(fā)明提供了 一種可制造具有更大厚度的包含有支撐塊的支撐層，此支撐層用 于支承一層或更多層的可變電容構(gòu)件層。在閱讀和了解了本專利所揭示的設(shè)計(jì)、方法以及例子后，對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人士 而言，本發(fā)明更多的其它優(yōu)點(diǎn)將是很顯然的。


圖1A-1C示意性地描述了一個(gè)由現(xiàn)有硅微制造技術(shù)所制備的硅基靜電能量采集 器的機(jī)械構(gòu)件部分的軸測(cè)圖。圖IA是此機(jī)械構(gòu)件的整體軸測(cè)圖。圖1B-1C是此機(jī)械構(gòu)件 分解后的軸測(cè)圖。圖2A-2B示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第一個(gè)實(shí) 施例的軸測(cè)圖。圖2A是此構(gòu)件的整體軸測(cè)圖。圖2B是此構(gòu)件分解后的軸測(cè)圖。圖3A-3B示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第二個(gè)實(shí) 施例的軸測(cè)圖。圖3A是此構(gòu)件的整體軸測(cè)圖。圖3B是此構(gòu)件分解后的軸測(cè)圖。圖4示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第四個(gè)實(shí)施例 的軸測(cè)圖。圖5示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第五個(gè)實(shí)施例 的軸測(cè)圖。圖6A-6B示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第六個(gè)實(shí) 施例的軸測(cè)圖。圖6A是此構(gòu)件的整體軸測(cè)圖。圖6B是此構(gòu)件部分分解后的軸測(cè)圖。圖7示意性地描述了一個(gè)從第六個(gè)實(shí)施例中的三層構(gòu)件擴(kuò)展而成的五層構(gòu)件。圖8A-8B示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第七個(gè)實(shí) 施例的軸測(cè)圖。圖8A是此構(gòu)件的第一種軸測(cè)圖。圖8B是此構(gòu)件的第二種軸測(cè)圖。圖9A-9B示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第八個(gè)實(shí) 施例的軸測(cè)圖。圖9A是此構(gòu)件的整體軸測(cè)圖。圖9B是此構(gòu)件分解后的軸測(cè)圖。圖10A-10I示意性地描述了使用Assemblayer技術(shù)中的一種工藝來(lái)制造一個(gè)多層 復(fù)雜硅結(jié)構(gòu)的工藝流程的各個(gè)制造階段的側(cè)視圖。圖11示意性地描述了一塊SOI晶片中的一塊硅晶片經(jīng)深反應(yīng)離子刻蝕后形成一 個(gè)支撐層的軸測(cè)圖。此SOI晶片中的另一塊硅晶片和二氧化硅絕緣層(中間層)組成一個(gè)
基體層。
6
圖12示意性地描述了一塊硅晶片經(jīng)深反應(yīng)離子刻蝕后形成的含有可變電容構(gòu)件 的硅結(jié)構(gòu)層的軸測(cè)圖。圖13示意性地描述了一塊硅晶片經(jīng)深反應(yīng)離子刻蝕后形成的含有移動(dòng)質(zhì)量結(jié)構(gòu) 的硅結(jié)構(gòu)層軸測(cè)圖。圖14示意性地描述了一個(gè)含有兩種材料的硅結(jié)構(gòu)層經(jīng)兩面整平后的軸測(cè)圖。此 硅結(jié)構(gòu)層含有可變電容構(gòu)件。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì) 說(shuō)明。圖2A-2B示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第一個(gè)實(shí) 施例的軸測(cè)圖。圖2A是此構(gòu)件的整體軸測(cè)圖。圖2B是此構(gòu)件分解后的軸測(cè)圖。這個(gè)構(gòu)件 的組件組成了一個(gè)可變電容構(gòu)件層。它是靜電能量采集器的一部分。它包含兩個(gè)固定電 極(130和132)和一個(gè)可動(dòng)電極(134)。這兩個(gè)固定電極和可動(dòng)電極組成兩個(gè)梳齒狀叉指 可變電容器?？蓜?dòng)電極134由包含梳齒狀電極的框架結(jié)構(gòu)136和一個(gè)包含在此框架內(nèi)的比 框架材料質(zhì)量密度更高的高質(zhì)量密度材料塊138所組成。因可動(dòng)電極同時(shí)也充當(dāng)移動(dòng)質(zhì)量 塊，在這個(gè)例子中，由于可動(dòng)電極中含有高質(zhì)量密度的材料塊，相對(duì)于不含高質(zhì)量密度材料 塊的同樣的構(gòu)件，可使得含有本實(shí)施例構(gòu)件的靜電能量采集器具有更大的移動(dòng)質(zhì)量，因而 能采集和輸出更多的能量。在這個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)固定電極和可動(dòng)電極的框架材料可以是 硅，高質(zhì)量密度材料塊可以是金或銀。實(shí)際的可動(dòng)電極上還包含有至少一個(gè)連接于可動(dòng)電極并支承此可動(dòng)電極的支撐 梁，為更清楚、更直接顯示和說(shuō)明本實(shí)施例的特征，其結(jié)構(gòu)不在圖2中顯示。對(duì)于本領(lǐng)域的 專業(yè)人士而言，可以很容易理解，支撐梁按需可設(shè)計(jì)成各種形狀和尺寸。支撐梁的結(jié)構(gòu)例子 也可參考圖1和圖9。因此，在本實(shí)施例和以下的實(shí)施例中，如果在可動(dòng)電極上沒(méi)有顯示支 撐梁結(jié)構(gòu)，不應(yīng)該把它理解成可動(dòng)電極上沒(méi)有支撐梁結(jié)構(gòu)。這樣的省略處理只是為了更好 地說(shuō)明和理解本發(fā)明的特點(diǎn)和特征。這個(gè)實(shí)施例也可以有很多變種。例如可包含僅一個(gè)或兩個(gè)以上固定電極與一個(gè)可 動(dòng)電極組成僅一個(gè)或兩個(gè)以上可變電容器。所形成的一個(gè)或多個(gè)可變電容器也可以是除了 梳齒狀叉指形狀以外的電容器。固定電極和可動(dòng)電極的框架材料也可以是除硅以外的其它 材料如金屬或合金，高質(zhì)量密度材料也可以是除金或銀以外的其它金屬或合金如銅。高質(zhì) 量密度材料也可由多種材料所組成。這個(gè)實(shí)施例的特征在于可動(dòng)電極包含有框架結(jié)構(gòu)和包 含在框架內(nèi)的比框架材料質(zhì)量密度更高的高質(zhì)量密度材料。圖3A-3B示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第二個(gè)實(shí) 施例的軸測(cè)圖。圖3A是此構(gòu)件的整體軸測(cè)圖。圖3B是此構(gòu)件分解后的軸測(cè)圖。這個(gè)構(gòu)件 是由可變電容構(gòu)件層141和一個(gè)質(zhì)量塊142所組成。它是靜電能量采集器的一部分。可變 電容構(gòu)件層141的可動(dòng)電極140的一個(gè)面上連接有質(zhì)量塊142。此質(zhì)量塊由一個(gè)框架結(jié)構(gòu) 144和一個(gè)包含在此框架內(nèi)的比框架材料質(zhì)量密度更高的高質(zhì)量密度材料塊146所組成。 在這個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)固定電極(148和150)、可動(dòng)電極140和框架144的材料可以是硅，高 質(zhì)量密度材料塊146可以是金或銀。
這個(gè)實(shí)施例也可以有很多變種。例如可包含僅一個(gè)或兩個(gè)以上固定電極與一個(gè)可 動(dòng)電極組成僅一個(gè)或兩個(gè)以上可變電容。所形成的一個(gè)或多個(gè)可變電容可以是除了梳齒狀 叉指形狀以外的電容。在可動(dòng)電極的一個(gè)或兩個(gè)面上連接有一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量塊。質(zhì)量塊也 可以完全只有一種材料所組成或有兩種以上材料所組成。固定電極、可動(dòng)電極和框架的材 料也可以是除硅以外的其它材料如金屬或合金；高質(zhì)量密度材料也可以是除金或銀以外的 其它金屬或合金如銅。這個(gè)實(shí)施例的特征在于在可動(dòng)電極的一個(gè)或兩個(gè)面上連接有質(zhì)量 塊。本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第三個(gè)實(shí)施例是以上第一個(gè)和第二 個(gè)實(shí)施例的組合。這個(gè)第三個(gè)實(shí)施例的特征在于不僅在可動(dòng)電極中包含有框架結(jié)構(gòu)和包含 在框架內(nèi)的比框架材料質(zhì)量密度更高的高質(zhì)量密度材料，而且在可動(dòng)電極的一個(gè)或兩個(gè)面 上還連接有質(zhì)量塊。圖4示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第四個(gè)實(shí)施例 的軸測(cè)圖。此構(gòu)件由三個(gè)相同材料和尺寸的可變電容構(gòu)件層(160、162和164)連接在一起 而形成一個(gè)三層可變電容構(gòu)件。它是靜電能量采集器的一部分。此構(gòu)件包含兩個(gè)三層固定 電極(166和168)和一個(gè)三層可動(dòng)電極(170)。這兩個(gè)三層固定電極和三層可動(dòng)電極組成 兩個(gè)三層梳齒狀叉指可變電容器。在這個(gè)例子中，相對(duì)于單層的相同的可變電容構(gòu)件，此三 層可變電容構(gòu)件具有三倍大的電容量和移動(dòng)質(zhì)量。因此相對(duì)于只包含一層可變電容構(gòu)件的 靜電能量采集器，此三層可變電容構(gòu)件可使得含有此構(gòu)件的靜電能量采集器能采集和輸出 更多的能量。在這個(gè)實(shí)施例中的構(gòu)件的構(gòu)成材料可以是硅。這個(gè)實(shí)施例也可以有很多變種。例如可由二個(gè)或三個(gè)以上單層可變電容構(gòu)件連接 而成多層可變電容構(gòu)件。多層可變電容構(gòu)件所包含的單層可變電容構(gòu)件可以有不同的尺寸 (如不同的層厚)和形狀。多層可變電容構(gòu)件可包含僅一個(gè)或兩個(gè)以上多層固定電極與一 個(gè)多層可動(dòng)電極組成僅一個(gè)或兩個(gè)以上多層可變電容。所形成的一個(gè)或多個(gè)多層可變電容 可以是除了梳齒狀叉指形狀以外的電容。多層可變電容構(gòu)件的構(gòu)成材料也可以是除硅以外 的其它材料如金屬或合金。這個(gè)實(shí)施例的特征在于由二個(gè)或二個(gè)以上單層可變電容構(gòu)件層 而連接成一個(gè)多層可變電容構(gòu)件。圖5示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第五個(gè)實(shí)施例 的軸測(cè)圖。此構(gòu)件由三個(gè)相同的如圖2所示的單層可變電容構(gòu)件層(180、182和184)連接 在一起而形成一個(gè)三層可變電容構(gòu)件。此多層構(gòu)件是靜電能量采集器的一部分。 這個(gè)實(shí)施例也可以有很多變種。例如可由二個(gè)或三個(gè)以上單層可變電容構(gòu)件層連 接而成多層可變電容構(gòu)件。多層可變電容構(gòu)件所包含的單層可變電容構(gòu)件可以有不同的 尺寸(如不同的層厚)。多層可變電容構(gòu)件也可僅包含一個(gè)如圖2所示的單層可變電容構(gòu) 件，其余的可變電容構(gòu)件可以是如圖4所示的多層可變電容構(gòu)件中包含的單層可變電容構(gòu) 件。多層可變電容構(gòu)件可包含僅一個(gè)或兩個(gè)以上多層固定電極與一個(gè)多層可動(dòng)電極組成僅 一個(gè)或兩個(gè)以上多層可變電容。所形成的一個(gè)或多個(gè)多層可變電容可以是除了梳齒狀叉指 形狀以外的電容。這個(gè)實(shí)施例的特征在于由二個(gè)或二個(gè)以上單層可變電容構(gòu)件而連接成一 個(gè)多層可變電容構(gòu)件，并且其中至少有一個(gè)單層可變電容構(gòu)件中的可動(dòng)電極包含有框架結(jié) 構(gòu)和包含在框架內(nèi)的比框架材料質(zhì)量密度更高的高質(zhì)量密度材料塊。
圖6A-6B示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第六個(gè)實(shí)施例的軸測(cè)圖。圖6A是此構(gòu)件的整體軸測(cè)圖。圖6B是此構(gòu)件部分分解后的軸測(cè)圖。這個(gè) 構(gòu)件是第二個(gè)實(shí)施例中的構(gòu)件(圖3)的擴(kuò)展。增加的組件包括一個(gè)與可變電容構(gòu)件層141 相同材料和尺寸的可變電容構(gòu)件層190和兩個(gè)連接塊192和194?？勺冸娙輼?gòu)件層190的 可動(dòng)電極198連接在質(zhì)量塊142上?？勺冸娙輼?gòu)件層190的兩個(gè)固定電極200和202分別 連接在兩個(gè)連接塊192和194上。連接塊和質(zhì)量塊所組成的層196可稱為移動(dòng)質(zhì)量層。這 個(gè)實(shí)施例中的構(gòu)件是靜電能量采集器的一部分。兩個(gè)連接塊192和194的材料可以是硅。這個(gè)實(shí)施例也可以有很多變種。例如其包含的可變電容構(gòu)件可以有不同的尺寸 (如不同的層厚)和形狀。其包含的質(zhì)量塊也可以完全只有一種材料所組成或有兩種以上 材料所組成。其包含的一個(gè)或兩個(gè)可動(dòng)電極中也可包含有框架結(jié)構(gòu)和包含在框架內(nèi)的比框 架材料質(zhì)量密度更高的高質(zhì)量密度材料塊。此構(gòu)件還可進(jìn)一步擴(kuò)展而包含更多的移動(dòng)質(zhì)量 層和可變電容構(gòu)件層。圖7示意性地描述了一個(gè)從此三層構(gòu)件擴(kuò)展而成的五層構(gòu)件。此五 層構(gòu)件包含三層相同的可變電容構(gòu)件層(141、190和206)和兩層相同的移動(dòng)質(zhì)量層(196 和204)。雖然在此五層構(gòu)件中，可變電容構(gòu)件層和移動(dòng)質(zhì)量層交替排列。但這種排列并非 唯一。也可有其它排列方式。這個(gè)實(shí)施例的特征在于在包含有兩個(gè)或兩個(gè)以上可變電容構(gòu) 件層的構(gòu)件中，在至少有兩個(gè)相鄰的可動(dòng)電極之間連接有至少一個(gè)移動(dòng)質(zhì)量塊。圖8A-8B示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第七個(gè)實(shí) 施例的軸測(cè)圖。圖8A是此構(gòu)件的第一種軸測(cè)圖。圖8B是此構(gòu)件的第二種軸測(cè)圖。這個(gè)構(gòu) 件是由兩個(gè)獨(dú)立的互不連接的可變電容構(gòu)件層210和212所組成。此構(gòu)件是靜電能量采集 器的一部分。兩個(gè)可變電容構(gòu)件層的空間位置關(guān)系是，210位于212之上并且它們的梳齒狀 叉指電容器的方向互相垂直。可變電容構(gòu)件層210的兩個(gè)固定電極214和216由兩個(gè)支撐 塊224和226支承于一個(gè)基體層之上。210的可動(dòng)電極215由兩個(gè)支撐梁通過(guò)支承它們的 支撐塊而被支承于同一個(gè)基體層之上。同樣，可變電容構(gòu)件層212的兩個(gè)固定電極218和 220由兩個(gè)支撐塊228和230支承于同一個(gè)基體層之上。212的可動(dòng)電極219也由兩個(gè)支 撐梁通過(guò)支承它們的支撐塊而被支承于同一個(gè)基體層之上。基體層、兩個(gè)可動(dòng)電極的支撐 梁以及支承支撐梁的支撐塊未在圖中顯示，可參考圖1中的例子。此構(gòu)件的組成材料可以 是硅。在這個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)可變電容構(gòu)件互不連接，因而可設(shè)計(jì)它們響應(yīng)兩個(gè)不同的 振動(dòng)頻率或振動(dòng)頻率范圍。自然環(huán)境的振動(dòng)頻率多種多樣，這樣，包含本實(shí)施例中構(gòu)件的靜 電能量采集器可從兩個(gè)不同的振動(dòng)頻率或振動(dòng)頻率范圍采集振動(dòng)能，從而使靜電能量采集 器有更大的適用性。這個(gè)實(shí)施例也可以有很多變種。例如此構(gòu)件可包含更多的獨(dú)立的互不連接的可變 電容構(gòu)件層?？勺冸娙輼?gòu)件之間的空間位置可不必局限于如圖8中顯示的例子。每個(gè)可變 電容構(gòu)件可包含僅一個(gè)或兩個(gè)以上固定電極與一個(gè)可動(dòng)電極組成僅一個(gè)或兩個(gè)以上可變 電容。所形成的一個(gè)或多個(gè)可變電容可以是除了梳齒狀叉指形狀以外的電容。在可動(dòng)電極 中也可包含有框架結(jié)構(gòu)和包含在框架內(nèi)的比框架材料質(zhì)量密度更高的高質(zhì)量密度材料塊 和或在可動(dòng)電極的一個(gè)或兩個(gè)面上連接有一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量塊。這個(gè)實(shí)施例的特征在于靜電 能量采集器的構(gòu)件中包含有至少兩個(gè)獨(dú)立的互不連接的可變電容構(gòu)件層并且在所有的可 變電容構(gòu)件層中，至少有兩個(gè)構(gòu)件層不在同一個(gè)水平面上。圖9A-9B示意性地描述了本發(fā)明所提供的靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件的第八個(gè)實(shí)
9施例的軸測(cè)圖。圖9A是此構(gòu)件的整體軸測(cè)圖。圖9B是此構(gòu)件分解后的軸測(cè)圖。這個(gè)構(gòu)件 是第六個(gè)實(shí)施例中的構(gòu)件(圖6)的擴(kuò)展，即除了原有的三層(141、190和196)構(gòu)件外，增 加的組件包括(1)在可變電容構(gòu)件層190中的可動(dòng)電極198上連接有兩個(gè)支撐梁256和 258 ； (2)在可變電容構(gòu)件層141中的可動(dòng)電極140上連接有兩個(gè)支撐梁260和262 ； (3)在 移動(dòng)質(zhì)量層196上的兩個(gè)增加的連接塊252和254，其中連接塊252連接支撐梁258和262， 連接塊254連接支撐梁256和260 ； (4)基體層240 ；以及(5)固定在基體層240上的由四 個(gè)分離的支撐塊或錨點(diǎn)(242、244、246和248)所組成的支撐層250，其中支撐層250支承連 接于其上的三層構(gòu)件在基體層240的上方。支撐層250與緊鄰其上的層141的連接方式可 參見(jiàn)對(duì)圖1中的構(gòu)件的描述。這個(gè)實(shí)施例中的構(gòu)件是靜電能量采集器的一部分。圖1中的構(gòu)件僅包含單層可變電容構(gòu)件層。第八個(gè)實(shí)施例中的構(gòu)件(圖9)不但 包含兩層可變電容構(gòu)件層，而且還包含有額外的移動(dòng)質(zhì)量塊。如果圖1中的單層可變電容 構(gòu)件層與第八個(gè)實(shí)施例中的兩個(gè)可變電容構(gòu)件層有相同的材料和尺寸，含有第八個(gè)實(shí)施例 中構(gòu)件的靜電能量采集器能采集和輸出更多的能量?，F(xiàn)有硅微制造技術(shù)只能制造如圖1中的構(gòu)件所示的簡(jiǎn)單的單層可變電容構(gòu)件層， 并且使用現(xiàn)有硅微制造技術(shù)對(duì)要在構(gòu)件中加入比硅質(zhì)量密度高的材料塊而言，是及其困難 或幾乎不可能。相比于圖1中的構(gòu)件，圖9中所示的構(gòu)件不僅有更多層和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而 且在硅層中還包含有比硅質(zhì)量密度高的材料塊如金或銀。因此需要有新的硅微制造技術(shù)來(lái) 制造包含有本發(fā)明所提供的構(gòu)件(如圖9中所示的構(gòu)件)的硅基靜電能量采集器。本發(fā)明 不但提供了能采集和輸出更多能量的機(jī)械構(gòu)件，而且還提供了能制造這些硅基構(gòu)件的制造 方法。對(duì)于如圖9中所示的多層構(gòu)件，多層微制造技術(shù)是一種最合適的制造多層結(jié)構(gòu)的 技術(shù)。這種制造技術(shù)是首先把要制造的器件或結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)沿其縱向把它分成一系列獨(dú)立 的結(jié)構(gòu)層，然后制造和連接這些獨(dú)立結(jié)構(gòu)層而形成所要的器件或結(jié)構(gòu)。如對(duì)于如圖9A中所 示的構(gòu)件可按其縱向(即其高度方向)分成五層(見(jiàn)圖9B)，即兩層可變電容構(gòu)件層(141 和190)、一層移動(dòng)質(zhì)量層196，一層基體層240，以及一層支撐層250。除基體層外，其余四 層結(jié)構(gòu)均含有互不連接的獨(dú)立特征結(jié)構(gòu)。如在可變電容構(gòu)件層141中，兩個(gè)固定電極和一 個(gè)可動(dòng)電極相互分離而互不連接。很顯然，包含有兩個(gè)或更多的分離結(jié)構(gòu)的層是無(wú)法制得 的。這正是現(xiàn)有多層微制造技術(shù)的一個(gè)極大的缺陷而使其無(wú)法制得復(fù)雜三維器件或結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所提供的制造方法稱為Assemblayer。Assemblayer也是一種多層微制造 技術(shù)，即通過(guò)制造和連接多個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)層而形成所要的器件或結(jié)構(gòu)。但Assemblayer技術(shù) 獨(dú)創(chuàng)性地使用犧牲材料來(lái)暫時(shí)連接分離的特征結(jié)構(gòu)從而形成一個(gè)可制造的一體結(jié)構(gòu)層。犧 牲材料的含義是它本身不是所要制造的三維器件或結(jié)構(gòu)的組成材料，它可在制造過(guò)程中的 合適時(shí)間被去除。正是由于使用了犧牲材料，才使得制造含有互不連接的獨(dú)立特征結(jié)構(gòu)的 層成為可能，從而使得制造復(fù)雜三維器件或結(jié)構(gòu)成為可能。使用Assemblayer技術(shù)，如果需 要，還可在所需的獨(dú)立結(jié)構(gòu)層的制造過(guò)程中，加入所需的高質(zhì)量密度的材料(如比硅質(zhì)量 密度高的材料)。圖10A-10I示意性地描述了使用Assemblayer技術(shù)中的一種工藝來(lái)制造一個(gè)多層 復(fù)雜硅結(jié)構(gòu)的工藝流程的各個(gè)制造階段的側(cè)視圖。圖10A-10F示意性地描述了制造一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)層的各個(gè)制造階段的側(cè)視圖。形成后的獨(dú)立結(jié)構(gòu)層可包含含硅的多種材料，也可包含互不連接的獨(dú)立的硅特征結(jié)構(gòu)。圖IOA顯示一個(gè)有所需厚度的硅晶片層270。在圖IOB中，使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝， 在硅晶片270的表面上形成一層有所需圖形的光刻膠層272。此光刻膠適用于深反應(yīng)離子 刻蝕工藝(DRIE)。把含有光刻膠層的硅晶片層放入深反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備進(jìn)行刻蝕。未被光刻膠遮蔽 的硅部分被深反應(yīng)離子刻蝕而在硅晶片層270中形成所需圖形。圖IOC顯示經(jīng)刻蝕后和除 去光刻膠層后所形成的硅晶片層274，其包含有刻蝕形成的孔或開口部分。圖IOD顯示在硅晶片層274的孔或開口中填入了一種犧牲材料276而形成了一個(gè) 包含有兩種材料的層278。雖然在圖IOD中，填入的材料只有一種犧牲材料，但是根據(jù)需要 也可填入除犧牲材料以外的材料，如高質(zhì)量密度的材料。在某些情況下，犧牲材料和高質(zhì)量 密度的材料可以是同一種材料。包含硅和犧牲材料的結(jié)構(gòu)層278的上下兩個(gè)表面被整平而使兩種材料在這兩個(gè) 表面上都暴露出來(lái)而形成所需的圖形，兩個(gè)表面都達(dá)到所需的表面粗糙度和平整度，并且 整平后的層厚度達(dá)到所需的要求。整平可使用如研磨和拋光工藝而達(dá)成。圖IOE顯示了結(jié) 構(gòu)層278經(jīng)上表面整平后的結(jié)果。圖IOF顯示了在上表面整平后，再經(jīng)下表面整平后的結(jié) 果。經(jīng)上下表面整平后所形成的層280包含硅材料282和犧牲材料284。這樣經(jīng)整平后所 形成的獨(dú)立的互不連接的硅特征結(jié)構(gòu)可經(jīng)由犧牲材料而連接在一起。犧牲材料起了類似于 粘結(jié)劑的作用。正是由于使用了犧牲材料，才使得制造含有互不連接的獨(dú)立的硅特征結(jié)構(gòu) 的層成為可能。圖IOG顯示使用圖10A-10F所示的制造獨(dú)立結(jié)構(gòu)層的工藝所制造的四個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu) 層280、286、288和290。每個(gè)結(jié)構(gòu)層都包含有硅和同一種犧牲材料。圖IOH顯示這四個(gè)結(jié)構(gòu)層和一個(gè)基體層292被使用合適的連接技術(shù)而連接在一起 而形成一個(gè)所期望的多層結(jié)構(gòu)。然后除去此多層結(jié)構(gòu)中的犧牲材料(如使用化學(xué)溶解)而 形成一個(gè)所需的固定在基體層292上的多層結(jié)構(gòu)298。注意在多層結(jié)構(gòu)298中仍然留有部 分犧牲材料296。這是因?yàn)楫?dāng)獨(dú)立結(jié)構(gòu)層被連接在一起后，這部分犧牲材料被其上下左右 的硅結(jié)構(gòu)所封閉，因而當(dāng)其它部分的犧牲材料被除去(如化學(xué)溶解)，它可以還留存在多層 結(jié)構(gòu)298中。這個(gè)例子說(shuō)明，使用Assemblayer技術(shù)可以達(dá)到在硅結(jié)構(gòu)中包含其它材料的 目的。在這個(gè)例子中，犧牲材料起著雙重作用，即起連接獨(dú)立的互不連接的硅特征結(jié)構(gòu)的作 用和起作為所需多層結(jié)構(gòu)的一部分的作用。如果多層結(jié)構(gòu)所需包含的其它材料不是犧牲材 料，那么可在相關(guān)的獨(dú)立結(jié)構(gòu)層制造中填入所需的材料。本發(fā)明所提供的靜電能量采集器構(gòu)件，不僅含有多層復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且在結(jié)構(gòu)層 中還可包含有高質(zhì)量密度的材料。因此從以上對(duì)圖10A-10I所示的Assemblayer制造工藝 的討論中可清楚看出，Assemblayer技術(shù)是適合制造本發(fā)明所提供的硅基靜電能量采集器 構(gòu)件的一種獨(dú)一無(wú)二的制造工藝。另外，此技術(shù)包含簡(jiǎn)單和重復(fù)的工藝步驟，適合于大規(guī)模 低成本生產(chǎn)本發(fā)明所提供的硅基靜電能量采集器機(jī)械構(gòu)件。在本發(fā)明中使用Assemblayer技術(shù)還具有其它優(yōu)點(diǎn)。例如，如前所述，采用三層結(jié) 構(gòu)的SOI晶片是目前主要的制造包含簡(jiǎn)單單層可變電容構(gòu)件層的靜電能量采集器的制造 方法。其中間層(二氧化硅絕緣層)被加工為包含支撐塊或錨點(diǎn)的支撐層。然而，其厚度 很小，最高不超過(guò)幾個(gè)微米。因此可變電容構(gòu)件層和基體層之間的間隔很小，從而產(chǎn)生寄生電容。使用Assemblayer技術(shù)則不存在這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槠洳皇軐訑?shù)限制而不必使用SOI晶 片。如可單獨(dú)使用一片有合適厚度的硅晶片來(lái)制造所需厚度的支撐層?；蛘咭部墒褂肧OI 晶片，但把二氧化硅絕緣層(中間層)和一塊硅晶片作為基體層，加工另一塊硅晶片而獲得 支撐層。因SOI晶片的硅晶片層的厚度可以任意選擇(如從幾十微米到幾百微米)，這樣可 以減小或消除寄生電容，或者如果需要，可以得到一個(gè)所需的寄生電容。為了使本領(lǐng)域的專業(yè)人士更好的理解和實(shí)踐Assemblayer技術(shù)來(lái)制造本發(fā)明所 提供的硅基靜電能量采集器的機(jī)械構(gòu)件，現(xiàn)以具體描述制造圖9中所示的第八個(gè)實(shí)施例的 硅基構(gòu)件來(lái)加以說(shuō)明。這個(gè)制造例子只是用來(lái)說(shuō)明Assemblayer技術(shù)的使用，而不應(yīng)把它 理解成對(duì)Assemblayer技術(shù)使用的限制。如前所述，第八個(gè)實(shí)施例中所示的構(gòu)件可按其縱向分成五層(見(jiàn)圖9B)?；w層 240的材料可選用玻璃或覆蓋有一層二氧化硅的硅晶片，其余四層可分別從四塊硅晶片而 制得。或者也可如前所述，加工一塊SOI晶片而成為包含有基體層240和支撐層250的結(jié) 構(gòu)，如把二氧化硅絕緣層(中間層)和一塊硅晶片作為基體層，加工另一塊硅晶片而獲得支 撐層250。在這個(gè)制造例子中，我們使用加工一塊SOI晶片而獲得基體層240和支撐層250。 這個(gè)方法更為簡(jiǎn)單，因?yàn)橹恍栌蒙罘磻?yīng)離子刻蝕法刻蝕SOI晶片中的一塊硅晶片即可同時(shí) 獲得連接在一起的基體層240和支撐層250。圖11示意性地描述了一塊SOI晶片中的一塊硅晶片經(jīng)深反應(yīng)離子刻蝕后形成支 撐層250的軸測(cè)圖。支撐層250由四個(gè)分離的支撐塊或錨點(diǎn)(242、244、246和248)所組成。 此SOI晶片中的另一塊硅晶片和二氧化硅絕緣層(中間層)組成基體層240。雖然此SOI 晶片含有三個(gè)物理層，經(jīng)加工后的晶片也被看作是一個(gè)獨(dú)立的硅結(jié)構(gòu)層。Assemblayer技術(shù)因此只需用來(lái)制造另外三層獨(dú)立結(jié)構(gòu)，即兩層可變電容構(gòu)件層 (141和190)和一層移動(dòng)質(zhì)量層196。為提高靜電能量采集器的導(dǎo)電性，這三層獨(dú)立結(jié)構(gòu) 可從具有高導(dǎo)電率的硅晶片制得(靜電能量采集器的導(dǎo)電性當(dāng)然也可通過(guò)其它途經(jīng)而提
I^J ) O根據(jù)圖10A-10F所示的制造獨(dú)立結(jié)構(gòu)層的技術(shù)工藝流程，首先由標(biāo)準(zhǔn)的深反應(yīng)離 子刻蝕法刻蝕三塊有合適厚度的硅晶片而制得三個(gè)含有孔或開口并形成有所需圖形的硅 結(jié)構(gòu)層(即從工藝流程圖IOA至10C)。這三塊硅結(jié)構(gòu)層最終將形成可變電容構(gòu)件層141和 190，以及移動(dòng)質(zhì)量層196。圖12示意性地描述了一塊硅晶片經(jīng)深反應(yīng)離子刻蝕后形成的含有所需圖形的硅 結(jié)構(gòu)層300的軸測(cè)圖。此結(jié)構(gòu)層300含有可變電容構(gòu)件結(jié)構(gòu)。其最終將形成可變電容構(gòu)件 層141或190(141和190是兩個(gè)相同的可變電容構(gòu)件層)。圖13示意性地描述了一塊硅晶片經(jīng)深反應(yīng)離子刻蝕后形成的含有所需圖形的硅 結(jié)構(gòu)層310的軸測(cè)圖。此結(jié)構(gòu)層310含有移動(dòng)質(zhì)量結(jié)構(gòu)，即在結(jié)構(gòu)層中間，有一框形結(jié)構(gòu) 312，高質(zhì)量密度材料將填入此框內(nèi)區(qū)域314。其最終將形成移動(dòng)質(zhì)量結(jié)構(gòu)層196。以上所制得的三個(gè)硅結(jié)構(gòu)層的孔或開口內(nèi)需填入所需的材料(工藝流程圖10D)。 對(duì)于兩個(gè)含有可變電容構(gòu)件結(jié)構(gòu)的硅結(jié)構(gòu)層，只需填入犧牲材料。對(duì)于含有移動(dòng)質(zhì)量結(jié)構(gòu) 的硅結(jié)構(gòu)層則需填入犧牲材料和高質(zhì)量密度材料兩種材料。高質(zhì)量密度材料在本例中指的 是其質(zhì)量密度大于硅。如果犧牲材料和高質(zhì)量密度材料為同一種材料，只需填入一種材料。 例如很多金屬(單金屬或合金)可同時(shí)作為犧牲材料和高質(zhì)量密度材料，如銅，鎳和銀。
犧牲材料可以使用金屬或非金屬材料。高質(zhì)量密度材料則是使用大于硅質(zhì)量密度 的金屬。對(duì)于不同的填入材料可選擇不同的填入方法。例如，填入的銅，鎳和銀可通過(guò)選用 合適的電鍍液而電沉積進(jìn)經(jīng)預(yù)處理后適合電鍍的硅結(jié)構(gòu)層的孔或開口內(nèi)。此預(yù)處理包括在 硅表面上使用真空沉積如濺射沉積一層或幾層導(dǎo)電金屬薄層作為硅基體上電鍍的導(dǎo)電基 體層(如鈦/銅組合)。當(dāng)然也可電沉積進(jìn)兩種金屬，如銅作為犧牲材料，銀作為高質(zhì)量密 度材料。例如，這可先用絕緣材料先遮蔽不需第二種材料的部分，然后鍍?nèi)氲谝环N材料。在 除去絕緣材料后，再鍍?nèi)氲诙N材料。也可在硅結(jié)構(gòu)層中先填入金屬粉末，或者微米或納米級(jí)的金屬顆粒，然后在高溫 燒結(jié)后在硅層中形成整體金屬。對(duì)于金或銀微細(xì)顆粒，可摻雜適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)料(binder)如淀 粉，再加水調(diào)成適當(dāng)濃度的漿糊狀態(tài)物。在填入硅層和經(jīng)干燥后，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)既除去粘結(jié) 料，又把金或銀顆粒燒結(jié)成一體。市場(chǎng)上也有這種金或銀的黏土團(tuán)(paste或clay)供應(yīng)。 如由Aida化學(xué)工業(yè)有限公司(Aida chemical industries Co.，Ltd.)生產(chǎn)的商品名為ACS 650 Paste的銀黏土和由三菱材料公司(Mitsubishi Materials Corporation)生產(chǎn)的商品 名為PMC GoldClay的金黏土。ACS 650 Paste的銀黏土可在如650°C燒結(jié)成金屬銀。PMC Gold Clay的金黏土可在如700°C燒結(jié)成金屬金。這兩種黏土的具體使用方法可參考它們 的產(chǎn)品說(shuō)明書。經(jīng)燒結(jié)后，金或銀和硅有非常好的結(jié)合力。非金屬材料也可用作犧牲材料，如使用環(huán)氧樹脂。例如可使用由環(huán)氧樹脂技術(shù)公 司(EpoxyTechnology，Inc.)生產(chǎn)的商品名為Epo-Tek 301環(huán)氧樹脂。這個(gè)產(chǎn)品包括兩個(gè) 液體成份。經(jīng)混合后填入硅結(jié)構(gòu)層，然后經(jīng)固化后成型。這個(gè)產(chǎn)品的具體使用方法可參考 它的產(chǎn)品說(shuō)明書。在固化成型后，這個(gè)環(huán)氧樹脂和硅有非常好的結(jié)合力。對(duì)于圖12所示的硅結(jié)構(gòu)層300，需要填入犧牲材料。如可填入銅、銀或環(huán)氧樹脂。對(duì)于圖13所示的硅結(jié)構(gòu)層310，需要填入犧牲材料和高質(zhì)量密度材料。如可填入 銅或銀。銅或銀既作為犧牲材料也作為高質(zhì)量密度材料。也可在框形結(jié)構(gòu)312內(nèi)區(qū)域314 填入金或銀作為高質(zhì)量密度材料，然后在其余區(qū)域再填入銅或環(huán)氧樹脂作為犧牲材料。由以上步驟制得的包含有多種材料的三個(gè)硅結(jié)構(gòu)層的上下兩個(gè)表面需要被整平 而使所用材料在這兩個(gè)表面上都暴露出來(lái)而形成所需的圖形，上下兩個(gè)表面都達(dá)到所需的 表面粗糙度和平整度，并且整平后的層厚度達(dá)到所需的要求(即從工藝流程圖10E至10F)。 硅結(jié)構(gòu)層的整平可使用磨削(grinding)、研磨(lapping)、機(jī)械拋光(polishing)、化學(xué)機(jī) 械拋光(CMP chemical mechanical polishing)、或者以上方法的適當(dāng)組合而達(dá)成。使用磨削或研磨與化學(xué)機(jī)械拋光的組合是一種適合本發(fā)明的整平工藝。磨削或研 磨可以快速?gòu)墓杞Y(jié)構(gòu)層的兩面除去材料。而化學(xué)機(jī)械拋光可以作為最后的整平步驟而達(dá)到 所需的表面粗糙度和平整度。圖14示意性地描述了一個(gè)含有兩種材料的硅結(jié)構(gòu)層經(jīng)兩面整平后的軸測(cè)圖。此 硅結(jié)構(gòu)層330含有硅可變電容構(gòu)件332和犧牲材料334?？勺冸娙輼?gòu)件332代表了可變電 容構(gòu)件層141或190(141和190是兩個(gè)相同的可變電容構(gòu)件層)。從此圖可以清楚看出，犧 牲材料334把可變電容構(gòu)件332的可動(dòng)電極和兩個(gè)固定電極連接在一起。犧牲材料334起 了類似于粘結(jié)劑的作用。經(jīng)以上整平后的三個(gè)硅結(jié)構(gòu)層和制得的支撐層250和基體層240 (圖11)需要連 接在一起而形成一個(gè)五層結(jié)構(gòu)(即工藝流程圖10H)。硅材料的連接可使用硅-硅直接鍵合法。因本發(fā)明的硅結(jié)構(gòu)層中至少有一個(gè)含有除硅以外的其它材料，為防止由于不同材料之 間熱膨脹系數(shù)不同而可能產(chǎn)生的熱應(yīng)力，因此選用室溫或低溫(< 500°c)硅-硅直接鍵合 如等離子體活化的直接鍵合技術(shù)是首選的硅_硅連接方法。硅_硅直接鍵合包括等離子體 活化的直接鍵合已經(jīng)成為成熟的硅器件的生產(chǎn)工藝并已有專門的鍵合設(shè)備包括層與層之 間的對(duì)準(zhǔn)裝置和鍵合裝置。如果需要，為防止硅結(jié)構(gòu)層中的其它材料對(duì)硅-硅直接鍵合的 干擾，也可在硅結(jié)構(gòu)層整平后使用化學(xué)刻蝕法來(lái)輕微除去硅結(jié)構(gòu)層中的其它材料，從而使 得其它材料的表面都低于硅材料的表面。另外，對(duì)于本例中硅結(jié)構(gòu)層的層與層之間方位的 對(duì)準(zhǔn)可利用在每層上的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記來(lái)達(dá)成。在所有硅結(jié)構(gòu)層被連接在一起后犧牲材料需要被除去，從而釋放埋在犧牲材料中 的由圖9A所示的靜電能量采集器的機(jī)械構(gòu)件(即工藝流程圖101)。采用化學(xué)溶解法是首 選的除去犧牲材料的方法。對(duì)于不同的犧牲材料可選擇不同的化學(xué)蝕刻液。如果犧牲材料是銅，可使用含氨的堿性的銅的刻蝕液，如商品名為Enstrip C-38 的銅刻蝕液。這種銅的刻蝕液對(duì)硅也是安全的。如果犧牲材料是銀，可使用銀的刻蝕液，如商品名為Silver Etchant TFS的銀的 刻蝕液?；蛘咭部墒褂糜糜谇逑垂杈氖橙唆~洗液(piranha solution)來(lái)溶解銀。食 人魚洗液含有濃硫酸和30%的過(guò)氧化氫，其體積比一般為4比1。如果犧牲材料是環(huán)氧樹脂，可使用環(huán)氧樹脂去除劑?；蛘咭部墒褂檬橙唆~洗液來(lái) 溶解環(huán)氧樹脂。食人魚洗液能快速和完全去除環(huán)氧樹脂。當(dāng)犧牲材料被去除后，我們便可得到如圖9A所示的靜電能量采集器的構(gòu)件。需要指出的是本發(fā)明所討論的實(shí)施例只是為了理解本發(fā)明所揭露的特點(diǎn)和特征 以及這些特點(diǎn)和特征的組合。對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人士而言，在不偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神 情況下，更多新的實(shí)施例以及對(duì)以上所討論的實(shí)施例的某些方面的替換和更改將是很顯然 的。因此本發(fā)明不應(yīng)該被限制在這些實(shí)施例中，而因被限定在本發(fā)明所要求的權(quán)利范圍內(nèi)。
1權(quán)利要求
一種至少是靜電式能量采集器一部分的構(gòu)件，包含有至少一個(gè)可變電容構(gòu)件層，其中，每個(gè)可變電容構(gòu)件層包含有至少一個(gè)固定電極、一個(gè)可動(dòng)電極、至少一個(gè)連接于可動(dòng)電極并支承此可動(dòng)電極的支撐梁，其中，所述的至少一個(gè)固定電極和可動(dòng)電極形成至少一個(gè)可變電容器；并且至少有一個(gè)可動(dòng)電極包含有至少一個(gè)孔或開口，其中，至少在一個(gè)孔或開口中，含有至少一種比可動(dòng)電極基體材料質(zhì)量密度更高的材料。
2.—種至少是靜電式能量采集器一部分的構(gòu)件，包含有至少兩個(gè)可變電容構(gòu)件層，其 中，每個(gè)可變電容構(gòu)件層包含有至少一個(gè)固定電極、一個(gè)可動(dòng)電極、至少一個(gè)連接于可動(dòng)電 極并支承此可動(dòng)電極的支撐梁，其中，所述的至少一個(gè)固定電極和可動(dòng)電極形成至少一個(gè) 可變電容器；并且至少有兩個(gè)可變電容構(gòu)件層位于不同的水平面上。
3.如權(quán)利要求2所述的構(gòu)件，其特征在于，至少有兩個(gè)可變電容構(gòu)件層連接在一起而 形成一個(gè)所需的多層可變電容構(gòu)件層，其中，所述的多層可變電容構(gòu)件層包含有至少一個(gè) 多層固定電極、一個(gè)多層可動(dòng)電極、至少一個(gè)連接于多層可動(dòng)電極并支承此多層可動(dòng)電極 的多層支撐梁，其中，所述的至少一個(gè)多層固定電極和多層可動(dòng)電極形成至少一個(gè)多層可 變電容器。
4.如權(quán)利要求2所述的構(gòu)件，其特征在于，至少包含有兩個(gè)獨(dú)立的相互分離的可變電 容構(gòu)件層。
5.如權(quán)利要求2所述的構(gòu)件，進(jìn)一步包含有至少一個(gè)移動(dòng)質(zhì)量層，其中，每個(gè)移動(dòng)質(zhì)量 層包含有至少一個(gè)質(zhì)量塊和多個(gè)互不相連的連接塊，其中，每個(gè)質(zhì)量塊與所有的連接塊互 不相連；所述的至少兩個(gè)可變電容構(gòu)件層和至少一個(gè)移動(dòng)質(zhì)量層連接在一起而形成一個(gè)所 需的多層可變電容構(gòu)件層，其中，所述的多層可變電容構(gòu)件層包含有至少一個(gè)多層固定電 極、一個(gè)多層可動(dòng)電極、至少一個(gè)連接于多層可動(dòng)電極并支承此多層可動(dòng)電極的多層支撐 梁，其中，所述的至少一個(gè)多層固定電極和多層可動(dòng)電極形成至少一個(gè)多層可變電容器；在 上述的連接操作后，所有的連接塊被包含在所述的至少一個(gè)多層固定電極和至少一個(gè)多層 支撐梁之中，其中，每個(gè)多層固定電極和每個(gè)多層支撐梁均包含有至少一個(gè)連接塊；在上述 的連接操作后，所有的質(zhì)量塊被包含于所述的多層可動(dòng)電極之中；并且在上述的連接操作 后，至少有兩個(gè)可變電容構(gòu)件層之間連接有至少一個(gè)移動(dòng)質(zhì)量層。
6.如權(quán)利要求5所述的構(gòu)件，其特征在于，至少有一個(gè)質(zhì)量塊包含有至少一個(gè)孔或開 口，其中，至少在一個(gè)孔或開口中，含有至少一種比質(zhì)量塊基體材料質(zhì)量密度更高的材料。
7.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求6所述的構(gòu)件，其特征在于，所述的比可動(dòng)電極基體材料或 比質(zhì)量塊基體材料的質(zhì)量密度更高的材料是金或銀，其中，所述的金或銀材料由金或銀的 金屬顆粒燒結(jié)而成。
8.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的構(gòu)件，其特征在于，所述的可變電容器是梳齒狀叉 指可變電容器。
9.如權(quán)利要求1 8中任意一項(xiàng)所述的構(gòu)件，進(jìn)一步包含有一個(gè)基體層和固定在所述 基體層上的多個(gè)分離的支撐塊或錨點(diǎn)，其中，通過(guò)把所述的單層或多層可變電容構(gòu)件層中 的單層或多層固定電極和單層或多層支撐梁分別連接在所需的支撐塊或錨點(diǎn)上，從而使得 所述的單層或多層可變電容構(gòu)件層被支撐于所述的基體層之上，其中，單層或多層可動(dòng)電 極被單層或多層支撐梁支承而懸浮于所述的基體層之上。
10.如權(quán)利要求1 9中任意一項(xiàng)所述的構(gòu)件，其特征在于，其組成材料中包含硅。
11.如權(quán)利要求10所述的構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件的制造方法包括如下步驟(1)制造兩個(gè)或兩個(gè)以上互不連接的獨(dú)立的硅基結(jié)構(gòu)層，其中，至少有一個(gè)硅基結(jié)構(gòu)層 包含至少二個(gè)互不接觸的硅結(jié)構(gòu)并且這些互不接觸的硅結(jié)構(gòu)籍由至少一種犧牲材料所結(jié) 合在一起而形成一個(gè)一體的結(jié)構(gòu)層；并且每個(gè)硅基結(jié)構(gòu)層包含至少一種材料，其中，制造包 含有至少兩種材料的硅基結(jié)構(gòu)層包括如下步驟a)提供一個(gè)有所需厚度的硅晶片；b)使用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)從上述硅晶片層的一面刻蝕該晶片層而形成至少一個(gè)孔 或開口，其中，所述的至少一個(gè)孔或開口形成一種所需的圖形；c)至少在上述形成的一個(gè)孔或開口中填入至少一種與硅不同的材料而形成一個(gè)包含 至少兩種材料的硅基結(jié)構(gòu)層；d)整平上述所形成的包含至少兩種材料的硅基結(jié)構(gòu)層而使得此硅基結(jié)構(gòu)層的兩面都 形成所需的圖形、使得此硅基結(jié)構(gòu)層的兩面都達(dá)到所需的表面粗糙度和表面平整度、使得 此硅基結(jié)構(gòu)層達(dá)到所需的厚度；(2)按所需的層序和層與層之間的方位連接至少所制造的上述硅基結(jié)構(gòu)層而形成一個(gè) 多層構(gòu)件，其中，所述的層與層之間的連接至少包含硅-硅直接鍵合技術(shù)；并且，(3)去除至少一種填入材料的部分或全部。
全文摘要
本發(fā)明所公開的至少是靜電式能量采集器一部分的構(gòu)件能使含有此構(gòu)件的能量采集器采集和轉(zhuǎn)化更多的環(huán)境振動(dòng)能和或能從多個(gè)不同特征振動(dòng)頻率或振動(dòng)范圍采集環(huán)境振動(dòng)能而輸出電能。在某個(gè)或某些實(shí)施例中，能量采集器構(gòu)件中的可動(dòng)電極中包含有比其基體材料質(zhì)量密度更高的材料和或其一個(gè)或兩個(gè)面上連接有質(zhì)量塊。在某個(gè)或某些實(shí)施例中，能量采集器構(gòu)件中包含由多個(gè)單層可變電容構(gòu)件層連接而形成的多層可變電容構(gòu)件層。在某個(gè)或某些實(shí)施例中，在能量采集器構(gòu)件所包含的多層可變電容構(gòu)件層中，至少在兩個(gè)相鄰的可動(dòng)電極之間連接有至少一個(gè)質(zhì)量塊。還是在某個(gè)或某些實(shí)施例中，能量采集器構(gòu)件中包含有至少兩個(gè)獨(dú)立的互不連接的可變電容構(gòu)件層。對(duì)于本發(fā)明中的硅基能量采集器構(gòu)件，本發(fā)明也提供了一種制造方法。此方法通過(guò)制造并連接多個(gè)獨(dú)立硅結(jié)構(gòu)層而形成所需的構(gòu)件。
文檔編號(hào)B81C3/00GK101941671SQ200910040849
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2009年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月6日
發(fā)明者張剛 申請(qǐng)人:張剛