專利名稱：結(jié)合參數(shù)彎曲模態(tài)能量收獲的壓電振動能量收獲系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及振動能量收集(energy scavenging)領(lǐng)域。 特別地，本發(fā)明針對結(jié)合參數(shù)彎曲模態(tài)能量收獲的壓電振動能量收獲 (energy harvesting)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在上四分之一個世紀(jì)中，集成電路(IC)的集成水平已經(jīng)大有進(jìn)步。 同時，IC的特征尺寸相應(yīng)地明顯減小。例如，MOSFET (metel-oxide-semiconductor field—effect transistor,金屬氧化 物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)柵的寬度目前在45nm左右，并且計劃在2010 年達(dá)到18nm。這比人類頭發(fā)寬度的1/500還小。IC元件不但在尺寸方 面顯著減小，而且還在功耗方面有所減小。通常使用由雙n-FET和p-FET 器件制造的 CMOS ( complementary metal—oxide semiconductor,互補(bǔ) 型金屬氧化物半導(dǎo)體)電路來制造IC。 CMOS電路比純粹的nM0S電路或 者純粹的pM0S電路消耗少得多的能量。
IC在尺寸和功耗兩方面的減少導(dǎo)致近年來無線IC技術(shù)的迅速擴(kuò) 展，這在僅僅十年以前是不可能的。如今，有各種各樣的裝置使用低功 率無線電路，包括舉幾個例子來說膝上型計算機(jī)、手機(jī)、MP3播放器、 智能電話、電話耳機(jī)、頭戴式耳機(jī)、路由器、游戲控制器、移動互聯(lián)網(wǎng) 適配器以及間諜相機(jī)。當(dāng)然，這些裝置中的每一個都需要某種獨(dú)立的電 源來工作。用于這些裝置的典型電源是電池，經(jīng)常是可更換的電池。
目前明顯感興趣的無線技術(shù)領(lǐng)域(即許多研究的目標(biāo))是無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。事實上，研究者預(yù)想未來會包括對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的廣泛采用。在WSN中，無線傳感器在整個特定環(huán)境中分布以形成將測 量數(shù)據(jù)中繼給中心樞紐的ad-hoc網(wǎng)絡(luò)或者網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(mesh)。該特定環(huán) 境可以是汽車、飛行器、工廠和建筑中的任何一個等等。WSN包含幾個 到幾萬個在短距離使用多跳傳輸進(jìn)行操作的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。每個無線 節(jié)點(diǎn)一般性地包括傳感器、無線電子系統(tǒng)(electronics )和電源。結(jié) 果是產(chǎn)生智能型環(huán)境，所述智能型環(huán)境響應(yīng)于該智能型環(huán)境的條件和住 戶(inhabitant )(如果有的話)。
無線傳感器節(jié)點(diǎn)，如上面提到的其它無線裝置一樣，需要某種獨(dú)立 的電源來為該節(jié)點(diǎn)上的電子系統(tǒng)提供電能?？梢允褂脗鹘y(tǒng)電池，諸如鋰 離子電池、鋅空氣電池、鋰電池、堿性蓄電池、鎳金屬氫化物電池和鎳 鎘電池。然而，對于被設(shè)計為比這些電池的通常使用壽命工作得久的無 線傳感器節(jié)點(diǎn)來說，在某個時候必須更換電池。取決于待討論的(at issue)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和那些節(jié)點(diǎn)的可及性，這可能會導(dǎo)致重大問題和開 銷，更不用提需要對電池進(jìn)行處置。因此，許多WSN都期望需要周期性 注意的電池和其它類型電源的替代品，諸如微型燃料電池。
這種替代的獨(dú)立電源通常依靠從無線傳感器節(jié)點(diǎn)的周圍環(huán)境收集 (或者"收獲")能量。例如，如果無線傳感器節(jié)點(diǎn)暴露于充足的光線 中，則替代的獨(dú)立電源可以包括光電池或者太陽能電池。可替換地，如 果無線傳感器節(jié)點(diǎn)暴露于充足的空氣流動中，則替代電源可以包括用于 從流動的空氣中收獲能量的微型燃?xì)廨啓C(jī)。其它替代的獨(dú)立電源還可以 基于溫度波動、壓力波動或者其它環(huán)境影響。
然而，在許多情況下周圍環(huán)境不包括充足量的光線、空氣流動、 溫度波動和壓力波動來提供足夠的電能為特定的無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。 然而，傳感器節(jié)點(diǎn)可能經(jīng)受基本可預(yù)測的和/或持續(xù)的振動，該振動例 如來源于支持該節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)或者該節(jié)點(diǎn)附加在上面的結(jié)構(gòu)。在這種情況 下，可以使用將振動能量基本上轉(zhuǎn)換成電能的振動能量收集器(energy scavenger)(或者收獲器(harvester))。
特定類型的振動能量收獲器利用了結(jié)合壓電材料的諧振梁，該壓電 材料當(dāng)在由周圍振動(驅(qū)動力)引起梁的諧振期間受到應(yīng)變時產(chǎn)生電荷。 許多傳統(tǒng)的壓電振動能量收獲器(PVEH)的一個缺點(diǎn)是，它們是具有高 品質(zhì)因數(shù)(Q)的最低限度阻尼的裝置。因此，它們只在非常小的振動 頻率帶寬內(nèi)有效。這在任何一個或多個各種環(huán)境下都會成為問題，諸如
7當(dāng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)受改變PVEH的調(diào)諧的溫度變化時、當(dāng)周圍振動的 頻率隨時間變化時、以及當(dāng)用于制造PVEH的生產(chǎn)方法導(dǎo)致PVEH剛完成 的(as-built)調(diào)諧發(fā)生變化時。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施方案是一種振動能量收獲器。所述振動能量收獲器 包括諧振梁，所述諧振梁具有橫截面特性、第一彎曲方向上的基本諧振頻 率和垂直于所述第一彎曲方向的第二彎曲方向上的參數(shù)^^態(tài)頻率 (parametric mode frequency),其中選擇所述截面特性以將所述基本諧振 頻率調(diào)諧成第一期望頻率并且將所述參數(shù)模態(tài)頻率調(diào)諧成第二期望頻率，所 述諧振梁包括壓電材料，所述壓電材料用于響應(yīng)所述諧振梁在所述第一和第 二彎曲方向中的每個方向上的彎曲而生成電能。
本發(fā)明的另一實施方案是一種振動能量收獲單元。所迷振動能量收 獲單元包括相互電連接的多個壓電振動能量收獲(PVEH)模塊，其中所 述PVEH模塊中的每一個包括多個參數(shù)模態(tài)使能的PVEH梁，每個所述PME PVEH梁被配置為從基本諧振激勵和參數(shù)模態(tài)激勵中的每一個收獲電荷。
本發(fā)明的又一實施方案是一種無線傳感器。所述無線傳感器包括用 于收集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換器；用于將所述數(shù)據(jù)傳輸給與所述無線傳感器間隔的接 收器的無線發(fā)射器；以及與所述轉(zhuǎn)換器和所述無線傳感器電通信的參數(shù)模 態(tài)使能(parametric mode enabled, PME)的壓電振動能量收獲(PVEH) 電源，所述PMEPVEH電源被配置為在使用時在所述無線傳感器周圍的環(huán)境 中收集振動能量以便生成電能以供在使用期間為所述轉(zhuǎn)換器和所述無線發(fā) 射器供電。
出于圖解說明本發(fā)明的目的，圖示出了本發(fā)明一個或多個實施例的 方面。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于圖中所示的精確的設(shè)置和工具， 其中
圖1是根據(jù)本公開的概念制造的壓電振動能量收獲(PVEH)單元的 示例的等距視圖2A是圖1系統(tǒng)的PVEH模塊之一的放大平面視圖，示出了多組參 數(shù)模態(tài)使能(PME )的PVEH梁；圖2B是圖1的三個PVEH模塊的放大局部截面分解圖，圖解說明了這三個PVEH模塊在相互附接之前的配置； 圖2C是圖1的上面六個PVEH模塊的放大局部截面局部示圖，這六個 PVEH模塊在完成的堆疊體(stack)中相互固定。
圖3是使用傳統(tǒng)做法制造的懸臂PVEH梁的典型頻譜(電壓-頻率)
圖4是使用本公開的概念制造的一組懸臂PME PVEH梁的頻譜(電 壓-頻率)圖，該圖示出了不同的寬度厚度比對不同梁的頻譜的影響；
圖5是包含三組PME梁的PVEH模塊的頻譜(電壓-頻率)圖，其中 這些組被調(diào)諧成稍微不同的頻率；
圖6是根據(jù)本公開的概念制造的雙壓電晶片(bimorph) PME PVEH 梁的放大縱向截面視圖7是沿著圖6的7-7線的截面視圖8是根據(jù)本公開的概念制造的單體電晶片(monomorph)PMEPVEH
梁的橫截面視圖9A-P是一系列圖解說明可以被用于制造單體電晶片PMEPVEH梁 的制造過程的步驟的圖，其中圖9A-P中的每一個都包含與所完成的梁 相對應(yīng)的縱向截面視圖和橫截面視圖10A-B是一系列圖解說明可以被用于制造單體電晶片PME PVEH 梁的替代步驟的圖，其中圖IOA-B中的每一個都包含與所完成的梁相對 應(yīng)的橫向截面視圖和橫截面視圖11是根據(jù)本公開的概念制造的無線傳感器的示意圖/圖解視以及
圖12是無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)的框圖，其中每個無線傳感器都利用基 于PME的電源來為該網(wǎng)絡(luò)中的每個板栽(onboard)傳感器和通信供電。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考圖，圖1圖解示出根據(jù)本公開的概念制造的壓電振動能量 收獲器(PVEH)單元100的示例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，可使用 這樣的PVEH單元來從周圍環(huán)境中收集的振動能量生成電能，在該周圍 環(huán)境中安裝有或者以其它方式放置有PVEH單元。雖然圖1所圖解說明 的PVEH單元100處于小尺度尺寸范圍中——該特定示例大致為長方體， 該長方體的每個基準(zhǔn)邊大約7.5mm并且高大約13. 5mm——但是可替換地，可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的制造技術(shù)以其它尺寸范圍、諸
如中尺度尺寸范圍來構(gòu)造根據(jù)本公開的概念制造的其它PVEH單元。由 于示例性PVEH單元100的尺寸，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到可以使用MEMS (micro-electromechanical systems,微機(jī)電系統(tǒng))制造技術(shù)來制造該 示例性PVEH單元100。下面結(jié)合圖9A-P和IOA-B來說明MEMS制造技術(shù) 的示例。
根據(jù)本公開概念制造的PVEH單元、諸如PVEH單元100特別地(雖 然不是專門地)適于以下應(yīng)用，其中PVEH單元通常為之供電的裝置或 者需要或者期望對于多種原因中的任何一個或者多個而言能夠自給，所 述原因諸如物理不可接近性、提供電源線或者更換電池的不可實現(xiàn)性、 替代電源的不可獲得性以及費(fèi)用等等。列出所有從實施本公開的廣泛概 念中獲益的應(yīng)用是不切實際的。然而，因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前是這項 技術(shù)的重要目標(biāo)應(yīng)用，所以本公開包含在無線傳感器以及在包含這樣的 無線傳感器的傳感器網(wǎng)絡(luò)中實施這些概念的示例。也就是說，本領(lǐng)域的 技術(shù)人員將容易地認(rèn)識到，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)絕不是在此所公開的廣泛概 念的唯一可能應(yīng)用。
繼續(xù)參考圖1并且還參考圖2A，在高水平上，該示例的PVEH單元 100包括十六個PVEH模塊104A-P (其中之一，模塊104C在圖2A中詳 細(xì)示出)。模塊104A-P享有相同的通用構(gòu)造，該通用構(gòu)造包括多組類似 的PVEH梁，其中一組中的所有梁都以相同方式被調(diào)諧，并且梁的調(diào)諧 在組與組之間有所不同。這在圖2A中通過具有六組200A - F的模塊l(MC 圖解說明，其中每組包含八個被一致調(diào)諧的PVEH梁2(MA-F (在該示例
中是懸臂梁)并且其中梁的調(diào)諧在六組之間有所不同。在該示例中，通 過分別改變PVEH梁204A-F的工作長度(active length) L,到W來提 供不同的調(diào)諧，如在圖2A中所看到的。在下面提到改變PVEH梁204A-F 的調(diào)諧的其它/替代方式的示例。還應(yīng)該注意，在該示例中就用于制造 梁的壓電材料的分層而言，每個PME PVEH梁2 04 A-F都是"雙壓電晶片，， 梁，并且就用于從壓電材料中收獲電能的電極被專門配置以用于從梁的 參數(shù)模態(tài)激勵中收獲能量的方式而言，每個PME PVEH梁2(MA-F還是 "分割電極(split-electrode)"梁。在下面詳細(xì)i兌明雙壓電晶片概念 和分割電極概念中的每一個。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到的，圖2A中示出的PVEH模塊104C只是可以使用在此公開的廣泛概念來進(jìn)行構(gòu)造的PVEH模塊的事實上無窮 多個配置中的一個示例。下面是可以單獨(dú)以及可以以相互之間的各種組 合進(jìn)行改變的幾項，以提供不同設(shè)計1 ) PVEH梁在每組中的數(shù)量可在 不同設(shè)計中不同于八個；2) PVEH梁的數(shù)量可以在組與組之間不同；3) 組的數(shù)量可不同于所示出的六組；4)不一致組的數(shù)量可不同于所示出 的六組；5 )每個模塊可具有相互一致的兩組或更多組；以及6)PVEH 梁可不同于懸臂，諸如雙固定端型、雙夾持端型、簡單支承型以及其它 類型組合的混合型等等。支承條件不限制本公開的廣泛概念的應(yīng)用。
另外，所有的PVEH模塊104A-P不需要都與圖2中所示的模塊104C 相同。例如，如果期望六個不同的梁調(diào)諧，則圖1的所有十六個模塊 104A-P可一致。然而，可以以其它方式來提供六個不同的梁調(diào)諧。例如， 每個PVEH模塊可提供兩個不同的調(diào)諧，從而模塊中的至少兩個其它模 塊每個都再提供兩個不同的調(diào)諧。另一示例是，整個PVEH模塊都可只 具有一個梁調(diào)諧，從而由至少都具有相互不同調(diào)諧的六個模塊來提供六 個不同的調(diào)諧。前述只是可以使得實現(xiàn)期望目的的許多變型中的例子。
還應(yīng)該注意，使用在此公開的廣泛概念制造的PVEH單元可以根據(jù) 待討論的特定設(shè)計參數(shù)在不同的梁調(diào)諧的數(shù)量方面有所改變。例如，在 某些應(yīng)用中，整個PVEH單元只需要單個梁調(diào)諧，而對于其它應(yīng)用，三 個、六個、十個或者更多個不同的調(diào)諧可能是有利的。在下面討論與確 定應(yīng)該提供多少梁調(diào)諧有關(guān)的一些因素。
根據(jù)本公開的概念制造的PVEH單元、諸如圖1的PVEH單元100包 括若干特征中的任何一個或多個，所述特征可以給予PVEH單元相對高 的功率密度(power density )(每個單位體積所生成的功率)并且可以 為PVEH單元提供相對寬的頻率響應(yīng)。這些特征包括專門設(shè)計的PVEH梁， 該P(yáng)VEH梁不但在驅(qū)動振動的方向上從梁的基本模態(tài)(fundamental-mode)激勵收獲振動能量，而且還從梁的參數(shù)模態(tài)激勵收獲能量。參數(shù) 模態(tài)激勵是垂直于驅(qū)動力(振動)的非線性諧振模態(tài)。專門設(shè)計為從參 數(shù)模態(tài)激勵中收獲能量的本公開的PVEH梁在此和在所附權(quán)利要求中被 習(xí)慣地稱為"參數(shù)模態(tài)使能的"或者"PME"。通過改變每個PME梁的截 面特性，該梁的參數(shù)模態(tài)激勵的頻率是可以調(diào)諧的，以產(chǎn)生或者增加 PVEH單元的功率密度的效應(yīng)或者產(chǎn)生增加該單元的有效激勵帶寬的效 應(yīng)，或者兩者兼有。除了通過對參數(shù)模態(tài)激勵頻率進(jìn)行調(diào)諧來增加每個
ii梁的有效激勵帶寬以外，還可以通過提供多組PVEH梁來增加本公開的 PVEH單元的總激勵帶寬，其中所述組被調(diào)諧成稍微不同的頻率。這通過 呈現(xiàn)具有六個不同調(diào)諧的六組200A-F在圖2A的模塊104C的上下文中 圖解說明，如在視覺上分別通過梁204A-F的六個不同長度L到W所圖 解說明的那樣。如下面所說明的，可以以其它方式來提供不同的調(diào)諧， 諸如為不同組中的梁204A-F提供不同的檢測質(zhì)量(proof mass )(圖2B 和2C中的228 )和改變的長度L,到Lp的組合，以及提供不同檢測質(zhì)量，等等。
在說明PME PVEH梁的幾個示例之前，在圖1中看出PVEH模塊104A-P 相互之間和與端部模塊108A-B被以堆疊和牢靠的方式配置以便于形成 集成的、自封裝的單元。雖然在圖1中沒有詳細(xì)地圖解說明，但是PVEH 模塊104A-P相互之間以及與端部模塊108A-B是電連接的，從而可以從 輸出端112、 116獲得的電能是由所有PVEH模塊的所有PMEPVEH梁(諸 如梁204A-F(圖2A))生成的電能的和。如本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的， PME模塊可以相互以串聯(lián)方式或者以并聯(lián)方式電連接，這取決于PVEH 單元100的特定部署。在該再次以小尺度范圍示出的示例中，每個PVEH 模塊104A-P都是使用各種層沉積、去除和蝕刻技術(shù)制造的基于硅的管 芯。適用于在制造這種模塊中使用的幾種加工技術(shù)在下面結(jié)合圖9A-P 和圖IOA-B說明。該示例中的端部模塊108A-B也使用類似技術(shù)制造， 并且使用合適的接合技術(shù)將各個PVEH模塊104A-P和端部模塊相互接 合。合適的接合技術(shù)的示例在下面結(jié)合圖2B-C說明。應(yīng)該注意， 一個 或兩個端部模塊108A-B可視特定設(shè)計而定包括整流電路和調(diào)節(jié)電路(未 示出)。
圖2B-C圖解i兌明圖1的PVEH模塊104A-B和端部模塊108A-B如 何可相互牢靠地且以電地方式連接的例子。圖2B圖解說明圖1的PVEH 模塊104A-P中的三個，具體是如在形成PVEH單元100的堆疊體(圖1) 期間以相互合適的關(guān)系所形成的PVEH模塊104E-G。如在圖2B中所看到 的，在該示例中，每個模塊104E-G配有玻璃熔塊(glass frit) 208， 所述玻璃熔塊208在真空裝配過程中被用于將模塊相互接合在一起。玻 璃熔塊208被以密封地封閉空腔212的方式放置，所述空腔212在PVEH 模塊104E-G相互固定之后將包含梁(在這里是梁204A)。焊球216放置 在每個PVEH模塊104E-G上，位于在模塊之間必須形成電連接的每個位置。在該設(shè)計中，底電極220被電連接到硅襯底224。圖2C示出真空裝 配過程之后相互接合的上面六個模塊，即端部模塊108A和PVEH模塊 104A-E。如在圖2C中可以看到的，在包括將模塊l(MA-E、 108A加熱到 足夠熔化玻璃熔塊208和焊球216的溫度的真空裝配過程期間，焊球流 動并凝固以成形填充相鄰模塊之間的空間，由此提供相鄰模塊之間的電 連續(xù)性。在真空裝配過程期間，在每個空腔212中形成真空，并且該真 空由熔化并凝固的玻璃熔塊208提供的密封封閉所保持。
為了圖解說明，下面的表格為基本類似于圖1的PVEH單元100的 一組示例性小尺度PVEH單元(未示出)提供了若干相關(guān)參數(shù)的近似最 小值和最大值。與PVEH單元IOO相似，在示例性組中的各個PVEH模塊 中的每一個(對應(yīng)于PVEH模塊104A-P中的那些模塊)都是具有厚度為 675 M瓜的7. 5mm x 7. 5mm的正方形管芯，該厚度是直徑為150mm的硅晶 片的典型厚度。當(dāng)然可以使用其它的晶片厚度，但是675mm厚度的晶片 為產(chǎn)生在圖2B-C中圖解說明的雙側(cè)空腔212提供了足夠的厚度。在該 示例中的端部模塊(對應(yīng)于圖1的端部模塊108A-B)由與用于制造PVEH 模塊的晶片相同的(多個)晶片制造，因此具有相同厚度。與PVEH模 塊相對應(yīng)的管芯中的每一個都包括使用在下面結(jié)合圖9A-P和10A-B說 明的加工技術(shù)制造的雙壓電晶片、分割電極PMEPVEH梁。在該示例中， 每個PVEH模塊(芯片)包含八個相似調(diào)諧的組并產(chǎn)生0. 2V和IOOmW 的功率，其中每組具有十二個以串聯(lián)方式電連接在一起的PME PVEH梁。 在該示例中，每個PVEH模塊中的所有PVEH模塊都以串聯(lián)方式電連接以 便于使相應(yīng)輸出節(jié)點(diǎn)兩端的電壓最大化。因此，以串聯(lián)方式電堆疊的10 個管芯在整流之后(假設(shè)0. 5V損耗)將達(dá)到1.5V和lmW的功率。這將 是7.425mm高的堆疊體，包括頂端芯片在內(nèi)。類似地，4. 05mm高的堆疊 體將產(chǎn)生0. 5V和0. 5raW的功率，10. 8mm堆疊體將產(chǎn)生2. 5V和1. 5mW 的功率，20. 925mm高的堆疊體將產(chǎn)生5. 5V和3mW的功率等。
當(dāng)然，下面表格中的值特定于該示例，用于根據(jù)在此公開的廣泛概 念制造的其它PVEH單元的類似值將根據(jù)它們的尺度和構(gòu)造而具有其它 值。例如，當(dāng)表格中的最小和最大工作頻率被分別指定為50Hz和1500Hz 時，根據(jù)在此公開的廣泛原理所制造的PVEH單元和模塊可以被制造為 具有其它工作頻率。也就是說并且一般來講，根據(jù)本公開制造的PVEH 單元和模塊將可能需要50Hz到250Hz范圍內(nèi)的工作頻率(帶)。表格
參數(shù)最小值最大值單位
體積0. 221. 173 cm
電壓0. 55. 5V
功率0. 53. 0mW
功率密度2. 272. 72mW/ cm'
加速度lglg_
頻率501500Hz
帶寬210Hz
注意所有值為估計值
呈現(xiàn)圖3-5以突出本公開的PME PVEH技術(shù)與傳統(tǒng)PVEH技術(shù)之間 的區(qū)別，以及解釋采用參數(shù)模態(tài)激勵所附帶的概念。圖3是具有寬度遠(yuǎn) 大于厚度的傳統(tǒng)矩形截面的懸臂PVEH梁的頻譜300。例如，這樣的傳統(tǒng) PVEH梁的寬度大約是該梁厚度的50倍。圖3還示意性地示出與圖3-5 (以及圖6-8)結(jié)合使用的懸臂梁304和坐標(biāo)系308。在具有寬度遠(yuǎn)大 于厚度的傳統(tǒng)PVEH梁中，參數(shù)模態(tài)激勵基本上不存在。因此，只考慮 一次諧波，頻譜300只具有基本諧振頻率峰300A和一次諧波頻率峰 300B，該基本諧振頻率峰300A由于ZX平面中的第一彎曲模態(tài)激勵在這 里在120Hz±2Hz處，該一次諧波頻率峰300B由于還是在ZX平面中的 第二模態(tài)激勵在這里在751. 2Hz ± 2Hz處，基本諧振頻率峰300A和一次 諧波頻率峰300B中的每一個都由ZX平面中的驅(qū)動振動引起。
圖4分別重現(xiàn)了圖3的頻譜300和該頻譜300的基頻和一次諧波峰 300A-B,并且還包含六個附加峰400、 402、 406、 408、 410，這六個附 加峰是由在YZ平面中彎曲的、具有遠(yuǎn)小于圖3的比(>50)的不同的寬 度厚度比的梁由于參數(shù)模態(tài)激勵而生成的。再次地，參數(shù)模態(tài)激勵導(dǎo) 致在垂直于驅(qū)動振動平面(在這里是ZX平面)的平面(在這里是YX平 面)中的彎曲。應(yīng)該注意，頻譜300可同等地應(yīng)用于窄得多的提供參數(shù) 模態(tài)峰400、 402、 406、 408、 410的梁，因為一般地，對于特定Z方向 厚度的梁，頻率響應(yīng)譜不隨Y方向?qū)挾鹊母淖兌淖儭?br>
如從圖4中看到的，參數(shù)模態(tài)峰400、 402、 404、 406、 408和410
14分別對應(yīng)于寬度厚度比1.5、 2、 3、 4、 5和7，其中這些峰的高度隨 比的增加而減小。雖然這些寬度厚度比中的任何一個或者其它類似取 值的寬度厚度比可以被采用用于參數(shù)模態(tài)振動能量收獲，但是l至大 約1.5的比受到特別注意，因為在這個范圍中的對應(yīng)響應(yīng)峰(由峰400 圖解說明)與基本諧振峰300A部分重疊。 一般地，寬度厚度比將參 數(shù)模態(tài)激勵的頻率放入基本諧振頻率的大約5Hz范圍內(nèi)。因此，與采用
附帶參數(shù)模態(tài)激勵的電路共同實施在該范圍內(nèi)的寬度厚度比可以被用 于拓寬PVEH裝置(諸如圖1的PVEH單元100)的有用帶寬。應(yīng)該注意， 在寬度厚度比為1處，參數(shù)模態(tài)峰值(未示出)與基本諧振峰300A 重合。因此，相對于只采用基本諧振激勵的相同裝置，對完全采用基本 諧振激勵和參數(shù)模態(tài)激勵二者的適當(dāng)電路的使用可以基本上使PME PVEH裝置的輸出加倍。
雖然對PME PVEH梁進(jìn)行調(diào)諧使得參數(shù)模態(tài)激發(fā)頻率接近于該梁的 基本諧振頻率對于拓寬該梁的頻率響應(yīng)的帶寬非常有用，但是本領(lǐng)域的 技術(shù)人員將容易地認(rèn)識到，其它參數(shù)模態(tài)調(diào)諧也可是有用的。 一般地但 是不必是限制性地，目前預(yù)想的是，可發(fā)現(xiàn)有用應(yīng)用的(對于矩形截面 梁的)調(diào)諧從寬度厚度比為1: l變化到8: 1。例如，可存在包含兩 個特定的間隔大于5Hz的固定振動頻率的環(huán)境(寬度厚度比>1.5)。 在這種情況下，PME PVEH梁的基本諧振頻率可以;故調(diào)諧成這兩個頻率中 的一個，而參數(shù)模態(tài)頻率可以被調(diào)諧成另一個，例如說，通過使梁的寬 度厚度比大致從2: l到8: 1，如所要求的那樣。另一示例是，寬度 厚度比可以是6. 26: 1。這可以使第二彎曲諧振模態(tài)的輸出電壓和功率 加倍(見一次諧波峰300A和分別對應(yīng)于寬度厚度比為5: 1和7: 1 的峰408、 410)。
圖4圖解說明了通過采用參數(shù)模態(tài)激勵來拓寬帶寬的概念，而圖5 圖解說明如何通過提供具有稍微不同的基本諧振頻率調(diào)諧的PME梁來進(jìn) 一步拓寬本公開的PVEH裝置(諸如圖1的PVEH單元)的有效帶寬。圖 5示出PME PVEH梁的系統(tǒng)(未示出)的頻率響應(yīng)i普500,該系統(tǒng)包括 1) 一個或者多個梁，其中每個梁都在ZX平面(見圖3)中被調(diào)諧成與 圖3中的梁相同的基本諧振頻率，即122Hz(峰500A); 2 )—個或者多 個梁，其中每個梁都在ZX平面中被調(diào)諧成具有基頻lMHz (峰S00B); 以及3)—個或者多個梁，其中每個梁都在ZX平面中被調(diào)諧成具有基頻130Hz (峰500C)。分別對應(yīng)于基模峰500A-D的第二彎曲模態(tài)( 一次諧 波)峰500D-F針對上下文被示出，但是在設(shè)計這樣的系統(tǒng)中通?？珊?略。除了這些ZX平面中的不同基本諧振調(diào)諧以外，每個被不同調(diào)諧的 梁配有大約為1.5的寬度厚度比(再次地，厚度在Z方向上，寬度在 Y方向上)，這產(chǎn)生了分別對應(yīng)于基本諧振峰500A - C的參數(shù)模態(tài)激勵峰 500G-I。如可以容易地看到的，添加以下效應(yīng)提供了明顯的帶寬拓寬， 所述效應(yīng)既提供多個稍微偏移的基本諧振調(diào)諧又采用對不同調(diào)諧梁的 參數(shù)模態(tài)激勵。在這個示例中，中心在122Hz附近的整體拓寬的帶寬為 大約20Hz。
在高品質(zhì)因數(shù)(Q)的裝置(諸如在很大程度上無阻尼的PVEH梁)
中的帶寬拓寬對于各種原因中的任何一個或多個都是有用的。例如，對 于必須在一個溫度范圍內(nèi)工作的PVEH裝置，當(dāng)梁隨改變的溫度而變硬 和松弛時，拓寬的帶寬允許該器件以最大效率在該范圍內(nèi)工作。另一示 例是，拓寬帶寬的裝置在周圍振動改變的環(huán)境中更有效。拓寬帶寬的裝 置還提供對于制造變化的更大容限(tolerance)并且還可以提供生產(chǎn) 經(jīng)濟(jì)性，因為單一的裝置將可以在更寬的頻率范圍內(nèi)使用，從而對于給 定大頻率范圍而言可以使用幾個拓寬帶寬的裝置來代替許多帶寬較窄 的裝置。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解并認(rèn)識到可以使用在此公開的概 念來實現(xiàn)的帶寬拓寬的這些和其它優(yōu)點(diǎn)。
圖6和7圖解iJt明雙壓電晶片PMEPVEH梁600,其可以被用于圖2 的PVEH模塊的每個梁204A-F。如在圖6中容易看到的，雙壓電晶片梁 600是一端固定另一端自由的懸臂梁。在該示例中，雙壓電晶片梁600 是使用與在下面結(jié)合圖9A-P和10A-B圖解說明的步驟類似的制造步驟 在硅晶片604上形成的小尺度結(jié)構(gòu)。雖然將在本上下文中理解對雙壓電 晶片梁600的解釋，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解該雙壓電晶片梁 的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以通過相應(yīng)地改變制造技術(shù)來可替換地以另一尺寸范圍 執(zhí)行，諸如中尺度范圍。因為本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解以另一尺度執(zhí)行雙 壓電晶片梁600的結(jié)構(gòu)所必需的替代制造技術(shù)，所以對于本領(lǐng)域技術(shù)人 員來說為了認(rèn)識到本公開的廣泛范圍不需要在此說明那些替代技術(shù)。讀 者可以參考用于解釋對形成小尺度雙壓電晶片梁600而言合適的制造技 術(shù)的圖9A-P和圖IOA-B以及所附文本。
如在圖7中最佳看到的，梁600被認(rèn)為是"雙壓電晶片"，因為該梁600具有兩個有區(qū)別并分開的壓電層700、 704，這兩個壓電層700、 704位于中軸(在這里設(shè)置為與全局坐標(biāo)系的Y軸708重合)的相對側(cè) 以用于在ZX平面中彎曲。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到的，壓電層700、 704位于中軸708的相對側(cè)，從而在ZX平面中彎曲期間，每層的總體受 到正應(yīng)變(strain)或者負(fù)應(yīng)變以便避免壓電材料中的內(nèi)部電荷抵消 (cancellation),如果單一層跨過中軸，則會發(fā)生該內(nèi)部電荷抵消。 如果任一壓電層700、 704在ZX平面彎曲期間跨過中軸，則該層的一部 分會具有正應(yīng)變而另 一部分會具有負(fù)應(yīng)變，使得產(chǎn)生的電荷相互抵消。 在該示例中，這些層中的每一個都凈皮分成兩部分700A-B、 704A-B， 其中部分700A、 704A落在YX平面彎曲的中軸(在這里，為了方便起見 設(shè)置為與Z軸712重合)的一側(cè)，而部分700B、 704B落在中軸712的 另一側(cè)。以這種方式分割壓電層700、 704的原因是防止參數(shù)模態(tài)彎曲 中的電荷抵消，如果這些層持續(xù)跨過中軸712，則會發(fā)生該電荷抵消。 如在圖7中容易看到的，壓電部分700A、 704B、 7(MB、 700A可以被_認(rèn) 為是分別落入由中軸708、 712限定的象限Q1到Q4。就此而言，應(yīng)該注 意，雖然參數(shù)模態(tài)彎曲發(fā)生在垂直于基本模態(tài)彎曲平面(ZX平面)的 YZ平面中，但是在足夠的驅(qū)動振動影響下雙壓電晶片梁600的自由端的 實際運(yùn)行本質(zhì)上是環(huán)形的(circular),因此，壓電部分700A-B、 704A-B
的象限化提供了逐個象限地從這些部分收獲電荷的有效途徑。例如，當(dāng) 雙壓電晶片梁600的彎曲僅僅在ZX平面中(即繞Y軸708 )時，壓電部 分70OA-B將相互以 一個極性同等地受到應(yīng)變而壓電部分7 04A-B將相互 以相反極性同等地受到應(yīng)變。當(dāng)雙壓電晶片梁600的彎曲僅僅在YX平 面中(即繞Z軸712)時，壓電部分700A、 704A將相互以一個極性同等 地受到應(yīng)變而壓電部分700B、 704B將相互以相反極性同等地受到應(yīng)變。 當(dāng)雙壓電晶片梁600的彎曲在圍繞X軸716旋轉(zhuǎn)到Y(jié)X平面與ZX平面之 間的某角度的平面中時，壓電部分700A、 704B或者壓電部分700B、 704A 將具有最大和最小的相反極性應(yīng)變或壓電部分700B、 704A，這取決于該 平面的位置。
仍參考圖7，雙壓電晶片梁600包括三個電極層720、 724、 728， 這三個電極層被分成單個的電極720A-B、 724A-B、 728A-B以便于逐個 象限地從壓電部分700A-B、 700A-B中的相應(yīng)的各個壓電部分收獲電荷。 將電極層720、 724、 728分成單個電極720A-B、 724A-B、 728A-B的事實是產(chǎn)生術(shù)語"分割電極"的原因，該"分割電極"被用于說明具有該
類型結(jié)構(gòu)的本公開的PME PVEH梁。然而應(yīng)該注意，術(shù)語"分割電極" 不限于單一層或大的電極在隨后的制造步驟期間被分割的情況。而是， 術(shù)語"分割電極"還適用于分開形成的電極被提供在中軸712的相對側(cè) 上的情況。換句話說，"分割電極"概念適用于參數(shù)模態(tài)電荷收獲電極 相互分離的事實，而不是這些電極是如何形成的。
更具體地與電極720A-B、 724A-B、 728A-B的功能有關(guān)，電極720A、 724A在從象限Ql中的壓電部分700A收獲電荷期間是工作的(act ive )， 電極724A、 728A在從象限Q2中的壓電部分704A收獲電荷期間是工作 的，電極724B、 728B在從象限Q3中的壓電部分704A收獲電荷期間是 工作的，而電極720B、 724B在從象限Q4中的壓電部分704A收獲電荷 期間是有效的。如可以容易地看到的，電極724A-B每個都跨過中軸712， 由此提供相應(yīng)的各個壓電部分700A-B、 704A-B與中軸712的分離，這 種分離導(dǎo)致避免了如上所述的電荷分離。參考圖6，雙壓電晶片梁600 配有分別對應(yīng)于電極層720、 724、 728的接觸608、 612、 616以用于將 從壓電部分700A-B、 704A-B (圖7)收集來的電荷傳送給適當(dāng)?shù)碾姾墒?集電路(未示出)。
仍參考圖6,在該實施例中，雙壓電晶片梁600具有位于接近于梁 的自由端的檢測質(zhì)量620。提供檢測質(zhì)量620以降低雙壓電晶片梁600 的調(diào)諧，并且增加梁的功率輸出。在另一實施例中，根本不需要提供檢 測質(zhì)量，而在又一實施例中，可例如在沿雙壓電晶片梁的不同位置處提 供多于一個檢測質(zhì)量。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地認(rèn)識到的，可以通過 改變?nèi)舾蓞?shù)中的任何一個或多個來對雙壓電晶片梁600進(jìn)行調(diào)諧，該 若干參數(shù)諸如是梁的截面形狀、梁的截面尺寸、梁的長度(示例性厚度)、 (多個)檢測質(zhì)量的質(zhì)量(如果有的話)、(多個)檢測質(zhì)量在梁上的(多 個)位置以及用于制造梁的材料。
如上面所提到的，使用硅晶片604作為襯底來制造雙壓電壓晶片梁 600。在制造雙壓電晶片梁600期間，根據(jù)已知技術(shù)來沉積并蝕刻各個 層，諸如電極層720、 724、 728和壓電層700、 704。為了產(chǎn)生自由端部 的懸臂雙壓電晶片梁600，其中一個制造步驟中涉及蝕刻掉硅晶片604 的一部分以產(chǎn)生梁下面的空腔624，并且產(chǎn)生任何相鄰的(多個)雙壓 電晶片梁之間或者晶片的其它橫向相鄰部分之間的分離。再次地，在下面結(jié)合圖9A-P和10A-B來說明可以被用于制造雙壓電晶片梁600的制 造步驟的示例。
參考圖7并且還參考圖6，包括在該示例的雙壓電晶片梁600中的 其它層包括基層732、可選第一絕緣層736、可選側(cè)電極層740和第二 絕緣層744。提供基層732以用于形成空腔634,并且基層732是該過 程的人工產(chǎn)物(artifact )。如果提供可選側(cè)電極層740，則提供第一絕 緣層736。側(cè)電極層740 (如果提供的話)被形成圖案(patterned)并 被蝕刻以提供可在參數(shù)模態(tài)電荷收獲中使用的可選側(cè)電極740A-D。如果 提供的話，每個側(cè)電極740A-D表現(xiàn)得像電容器的電荷板(charge plate) 一樣，其中第一絕緣層736起到電容器的電介質(zhì)的作用，而壓電部分 700A-B、 704A-B中的壓電部分起到另 一 電荷板的作用?？蛇x側(cè)電極 740A-D可由任何合適的導(dǎo)電材料制造，諸如上面提到的與電極層720、 724、 728相關(guān)的材料中的任何一種。第二絕緣層744被提供作為保護(hù)層 并作為應(yīng)力補(bǔ)償層以補(bǔ)償在制造期間由其它層導(dǎo)入到雙壓電晶片梁600 中的應(yīng)力。
在具體圖解說明的、但決不是限制性的示例中，雙壓電晶片600的 各個層由下列材料制造并具有下列厚度基層732是具有厚度0.5卩邁 的硅晶片604的熱氧化物；電極層728是具有厚度1. Oym的鉬(Mo) 層；壓電層704是具有厚度1. 0nm的氮化鋁(A1N)層；電極層724是 具有厚度0. 5 ym的Mo層；壓電層700是具有厚度1. Opm的A1N層； 電極層720是具有厚度0. 2ym的Mo層；第一絕緣層736是具有0. 1 p m 到0. 2pm厚度的PECVD氧化層；側(cè)電極層740是具有厚度0. 2卩m的Mo 層；以及第二絕緣層744是具有厚度1.8 Mm的PECVD氧化層。當(dāng)然， 在其它實施例中，尺寸可改變。就此而言，應(yīng)該注意，在此使用的所有 厚度和尺寸都是說明性的，并且可以增加或者減少。例如，增加本公開 PVEH單元(諸如圖1的PVEH單元100)的體積將增加輸出功率和電壓 (雖然電壓只取決于(多個)壓電層的厚度和長度)，但是如果做得正 確，諧振頻率可以保持不變或者在期望時改變。增加PVEH單元的體積 的缺點(diǎn)在于，從單個晶片中可能制造的模塊/芯片更少，因此增加了每 個管芯的成本。
還應(yīng)該注意，可以通過改變各個層的厚度來上下(相對于圖7)調(diào) 整中軸712的位置。出于清楚目的還應(yīng)該注意，壓電部分700A-B、7(MA-B的成角度側(cè)壁和隨后沉積的層只是用于形成分割電極結(jié)構(gòu)的蝕刻技術(shù) 的人工產(chǎn)物。在其它實施例中，可以通過選擇適當(dāng)?shù)闹圃旒夹g(shù)來消除這
些成角度的側(cè)壁，同樣可以消除兩個堆疊體748、 752之間的相對寬的 間隔以及也是所使用特定制造工藝的人工產(chǎn)物的突出部分(overhang) 756、 760。
圖6和7圖解說明雙壓電晶片分割電極PME PVEH梁600的示例， 而圖8圖解說明這樣的梁的單體電晶片版本800。如在圖8中所看到的， 當(dāng)單體電晶片梁8 00被制造成相同的小尺度并使用與圖6和7的雙壓電 晶片梁600相同的制造工藝來制造時，單體電晶片梁800可被構(gòu)造得與 雙壓電晶片梁600非常類似。然而，代替于具有兩個壓電層700、 704 (圖7)和三個電極層720、 724、 728，圖8的單體電晶片梁800只具 有單個壓電層804和一對在其間夾入該壓電層的電極層808、 812。這些 層804、 808、 812中的每一個都被水平地"分割，，(相對于圖8)以便提 供兩個單體電晶片電荷發(fā)生器816、 820，這兩個單體電晶片電荷發(fā)生器 816、820出于上面討論的與從梁800的參數(shù)模態(tài)激發(fā)收獲電荷有關(guān)的原 因相互電解耦。在該示例中，基本諧振激勵發(fā)生在ZX平面中，而參數(shù) 模態(tài)激發(fā)發(fā)生在YZ平面中，如在圖6和7的雙壓電晶片梁600中那樣。 對于層804、 808、 812的分割，堆疊體816包含壓電部分804A和相應(yīng) 電極808A、 812A,而堆疊體820包含壓電部分804B和相應(yīng)電極808B、 812B。
為了避免在ZX平面中彎曲期間壓電層804內(nèi)的電荷抵消，對單體 電晶片梁800的各個層的厚度進(jìn)行選擇，使得壓電層的總體位于中彎曲 軸的一側(cè)或者另一側(cè)，在這里出于方便將全局坐標(biāo)系的Y軸824設(shè)為該 中彎曲軸。以這種方式，在ZX平面彎曲期間，壓電層8(M的總體受到 正應(yīng)變或者負(fù)應(yīng)變。類似于圖6和7的雙壓電晶片梁600，通過分割層 804、 808、 812來避免壓電層804內(nèi)的電荷抵消，從而堆疊體816、 820 位于中軸(在這里是全局Z軸826 )的相對側(cè)。
可超過單體電晶片梁800的固定端將電極808A-B相互電連接(tie) (見圖6，其可以被用于預(yù)想單體電晶片梁800的懸臂結(jié)構(gòu))，同樣也可 超過單體電晶片梁800的固定端將電極8UA-B相互電連接。然后，可 用類似于雙壓電晶片梁600的電接觸608、 612、 616 (圖6)的方式向 單體電晶片梁800提供電接觸(未示出)。如雙壓電晶片梁600，單體電晶片梁800可具有除了壓電和電極層 804、 808、 812以外的各個層。在該示例中，這樣的附加層包括基層828、 可選第一絕緣層832、可選側(cè)電極層836和第二絕緣層840?；鶎?28 是用于形成單體電晶片梁800的工藝的人工產(chǎn)物并為堆疊體816、 820 提供統(tǒng)一基礎(chǔ)。如果提供可選側(cè)電極層836，則提供第一絕緣層832。 側(cè)電極層836 (如果提供的話)被形成圖案并被蝕刻以提供可在參數(shù)模 態(tài)電荷收獲中使用的可選側(cè)電極836A-D。如果提供的話，每個側(cè)電極 836A-D表現(xiàn)得像電容器的電荷板一樣，其中第一絕緣層832起到電容器 的電介質(zhì)的作用，而壓電部分804A-B中的壓電部分起到另一電荷板的 作用?？蛇x側(cè)電極836A-D可由任何合適的導(dǎo)電材料制造，諸如上面提 到的與圖6和7的雙壓電晶片梁600的電極層720、 724、 728相關(guān)的材 料中的任何一種。第二絕緣層840被提供作為保護(hù)層并作為應(yīng)力補(bǔ)償層 以補(bǔ)償在制造期間由其它層導(dǎo)入到雙壓電晶片梁600中的應(yīng)力。在該示 例中，第一和第二絕緣層832、 840是通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積 (PECVD)形成的氧化物。
在具體圖解說明的、但決不是限制性的示例中，單體電晶片800 的各個層由下列材料制造并具有下列厚度基層828是具有厚度2.0Mm 的原硅晶片(見圖6和7以及所附文本)的熱氧化物；電極層812是具 有厚度1. Oym的Mo層；壓電層804是具有厚度1. 0 m m的A1N層；電 極層808是具有厚度0. 2 m m的Mo層；第一絕緣層832是具有厚度0. 2 Mm的PECVD氧化層；側(cè)電極層836是具有厚度0. 1 jli m的Mo層；以及 第二絕緣層840是具有厚度1. 3jim的PECVD氧化層。當(dāng)然，在其它實 施例中，尺寸可改變。出于清楚目的應(yīng)該注意，壓電部分804A-B的成 角度側(cè)壁和隨后沉積的層只是用于形成分割電極結(jié)構(gòu)的蝕刻技術(shù)的人 工產(chǎn)物。在其它實施例中，可以通過選擇適當(dāng)?shù)闹圃旒夹g(shù)來消除這些成 角度的側(cè)壁，同樣可以消除兩個堆疊體816、 820之間的相對寬的間隔 以及也是所使用特定制造工藝人工產(chǎn)物的突出部分844、 848。
雖然沒有示出，但是如果期望或者需要，單體電晶片800可以類似 于圖6和7的雙壓電晶片梁600的方式包括一個或者多個檢測質(zhì)量。此 外，可使用一個或者多個上面提到的與雙壓電晶片梁600相關(guān)的技術(shù)來 將單體電晶片梁800調(diào)諧成基本諧振響應(yīng)。另外，可以通過改變梁的寬 度W'與梁的厚度T'(假設(shè)基本上是矩形截面形狀)的比來調(diào)諧單體電晶片梁800的參數(shù)模態(tài)響應(yīng)，如上面結(jié)合圖4所說明的那樣。在上面說明 的單體電晶片懸臂梁800的示例性小尺度構(gòu)造中，梁的向上巻曲作為應(yīng) 變的結(jié)果而發(fā)生，該應(yīng)變由壓電層804導(dǎo)入到梁的上部。可以使用適當(dāng) 的技術(shù)將該巻曲控制在容許限度內(nèi)。應(yīng)該注意，圖6和7的雙壓電晶片 梁600由于壓電層700、 704存在于ZX彎曲中軸708的相對側(cè)而具有較 少的巻曲趨勢。
圖9A-P圖解說明了可以被用于制造小尺度懸臂單體電晶片PME PVEH梁(諸如圖8的梁800 )以及實際上整個小尺度PVEH模塊(諸如 圖1和2的模塊104A-P中的任何一個)的步驟。在步驟900 (圖9A)， 提供硅襯底902。硅襯底902可具有任何晶體定向、任何摻雜類型以及 摻雜濃度。在步驟904 (圖9B)，向襯底902提供基層906?；鶎?06 分別對應(yīng)于圖8的基層828，并且如上面所提到的，被用作蝕刻停止層 以產(chǎn)生梁800 (圖8)的懸臂?；鶎?06可以是例如1)熱生長二氧化 硅(Si02); 2 )低壓化學(xué)汽相沉積(LPCVD )或者等離子體增強(qiáng)CVD( PECVD ) 硅氧化物(SiOx， X</=2);或者低應(yīng)力富硅氮化物(SixNY， XO，Y<4)。 可以將基層906提供給硅襯底902的兩側(cè)以平衡薄膜應(yīng)力。
在步驟908 (圖9C)，金屬層910經(jīng)由濺射(sputter )或者蒸發(fā)被 沉積在襯底902的一側(cè)上。金屬層910對應(yīng)于圖8的單體電晶片梁800 的電極層812。在步驟912，壓電層914被沉積在襯底902的一側(cè)上。 用于該層914的壓電材料例如可以是A1N (通過濺射沉積)、鋯鈥酸鉛 (PZT)(經(jīng)由溶膠凝膠工藝或者濺射來沉積)、聚偏氟乙烯(PVDF)(經(jīng) 由溶膠凝膠工藝沉積)以及氧化鋅(ZnO)(經(jīng)由濺射沉積)中的任何一 種。在步驟916(圖9E)，對應(yīng)于圖8的單體電晶片梁800的電極層808 的第二金屬層918被經(jīng)由濺射或者蒸發(fā)沉積。
在步驟920 (圖9F),第二金屬層918被例如使用光刻圖案形成技 術(shù)而形成圖案，并然后被使用濕法蝕刻或者干法活性離子蝕刻(RIE) 進(jìn)行蝕刻。在步驟922 (圖9G)，使用濕法蝕刻或者干法RIE對壓電層 914進(jìn)行蝕刻。如果AlN^t用于壓電層914而Mo被用于金屬層910、 918， 則可以使用濕氫氧化鉀(KOH)工藝。在這種情況下，來自步驟920的 圖案形成的光致抗蝕劑(photoresist )(未示出)在KOH蝕刻之前被剝 離，并且金屬層910、 918的Mo被用作硬掩膜。A1N在K0H中各向異性 地進(jìn)行蝕刻，并且形成相對于上面圖7和8中的每一個被突出(highlighted)的成角度的壁。在步驟924 (圖9H )， 4吏用濕法蝕刻或 者干法RIE對金屬層910進(jìn)行蝕刻。在剛提到的Mo示例中，Mo使用RIE。
在步驟926 (圖91),沉積對應(yīng)于圖8的單體電晶片梁800的第一 絕緣層836的第一上電介質(zhì)928。電介質(zhì)928可以例如是沉積的LPCVD 或PECVD氧化硅(Si0x)或者氮化硅(SixNY)。通常，由于與其它產(chǎn)品 的膜的金屬交叉污染，不將金屬放入LPCVD熔爐。然而，如果使用專用 LPCVD系統(tǒng)并且金屬熔點(diǎn)高(鎢和Mo的熔點(diǎn)高而金的熔點(diǎn)低)，則可以 這樣做。在該示例中，第一上電介質(zhì)928被沉積在襯底902的兩側(cè)上以 平衡薄膜應(yīng)力。在步驟930 (圖9J)，使用濕法蝕刻或者RIE對第一上 電介質(zhì)928進(jìn)行蝕刻。
如果提供對應(yīng)于圖8中單體電晶片梁800的側(cè)電極840A-D的側(cè)電 極，則可以執(zhí)行可選步驟932 (圖9K)。在步驟932中，金屬層934被 例如經(jīng)由濺射或者蒸發(fā)進(jìn)行沉積，然后被形成圖案并被蝕刻以形成側(cè)電 極938。如果不提供側(cè)電極938，則分別消除步驟932和圖91 - J的步 驟926、 930中的任何一個，或者分別消除圖9L-M的步驟940、 942。 在形成側(cè)電極938 (如果有的話)之后，執(zhí)行步驟940 (圖9L)、 942 (圖 9M)。在步驟940，沉積第二上電介質(zhì)944，該第二上電介質(zhì)9"對應(yīng)于 圖8的單體電晶片梁800的第二絕緣層840。電介質(zhì)944例如可以是上 面提到的與第一上電介質(zhì)928相關(guān)的材料中的任何一種。在該示例中， 第二上電介質(zhì)944被沉積到襯底902的兩側(cè)上以平衡薄膜應(yīng)力。在步驟 942 (圖9M)，使用濕法蝕刻或者RIE對第二上電介質(zhì)944進(jìn)行蝕刻。
在步驟946 (圖9N)，提供電接觸948、 950和互連布線(未示出)。 通常，雖然不是必要的，電接觸948、 950將是具有大約2%硅的鋁以阻 止由于電流流動導(dǎo)致的電遷移。可例如通過或者是光金屬沉積(蒸發(fā)) 剝離工藝或者是通過沉積(蒸發(fā)和濺射)和濕法蝕刻或RIE來提供接觸 948、 950和布線。在步驟952 (圖90)，使用合適的方法來形成檢測質(zhì) 量954。 一般地，電鍍是用于實現(xiàn)大約10pm到大約100jLim范圍內(nèi)厚 的金屬沉積的最佳方法。蒸發(fā)受限于小于大約3Mm的厚度。
在步驟956(圖9P),懸臂梁958的前體(precursor )凈皮從襯底902 釋放以形成懸臂。在該示例中，使用背側(cè)釋放法來形成懸臂梁958，該 背側(cè)釋放法涉及圖案形成以及蝕刻穿過第二和第一電介質(zhì)"4、 928以 及背側(cè)基層906，并然后執(zhí)行深RIE (DRIE)穿過襯底902直到前側(cè)基層的底側(cè)。
圖IOA-B圖解說明了釋放懸臂梁的前體結(jié)構(gòu)的兩個替代方法，這兩 個替代方法都涉及從組件的前側(cè)而不是從正如關(guān)于圖9P所說明的那樣 從背側(cè)進(jìn)行蝕刻。在圖10A中，從組件1000的前側(cè)執(zhí)行各向同性的硅 蝕刻以形成懸臂梁1008下方的空腔1004。例如，可使用各向同性地對 硅進(jìn)行蝕刻但是不侵蝕其它材料的基于氟的蝕刻劑，諸如氣態(tài)氟化氙
(XeF2)或者六氟化硫(SF6)。在這種類型的方法中，空腔1004可限制 懸臂梁1008的自由端的上下運(yùn)動，但是該空腔為晶片尺度的封裝提供 隔離并且該空腔提供可以用于預(yù)防梁的過度折曲(過度應(yīng)變)的底部停 止(bottomstop)。在這種情況下，由于不對稱性導(dǎo)致的某種向上的巻 曲可期望以用于"調(diào)諧"懸臂梁1008的自由端的運(yùn)動范圍。
圖10B圖解說明釋放懸臂梁1012的前體的另一前側(cè)方法。在該方 法中，代替作為傳統(tǒng)的非絕緣體上硅(non-SOI )的襯底902 (圖9A )， 可以使用具有掩埋氧化物(BOX)層1020的SOI襯底1016。在該方法中， BOX層1020起到蝕刻停止層的作用以精確地控制在從SOI襯底1016的 前側(cè)進(jìn)行各向同性的蝕刻期間所形成的空腔1024的深度。正如使用圖 10A的方法那樣，可使用各向同性地對硅進(jìn)行蝕刻但是不侵蝕其它材料 的基于氟的蝕刻劑，諸如氣態(tài)XeF2或者SF6。在這里，同樣地，由于不 對稱性導(dǎo)致的某種向上的巻曲可期望以用于"調(diào)諧，，懸臂梁1012的自 由端的運(yùn)動范圍。
雖然圖9A-P和圖10A-B的制造技術(shù)針對制造單體電晶片梁958、 1008、 1012，但是可以容易地擴(kuò)展這些技術(shù)以用于產(chǎn)生類似于圖6和7 的雙壓電晶片梁600的雙壓電晶片梁。例如，不是在第二金屬層的蒸發(fā)
(步驟916，圖9E)之后就對第二金屬層918、第一壓電層914和第一 金屬層910形成圖案和蝕刻(圖9F-H的步驟920、 922、 924 )，而是代 替地，在繼續(xù)對第一上電介質(zhì)928進(jìn)行蒸發(fā)(如圖91的步驟926 )之前， 可以在第二金屬層上沉積第二壓電層(未示出，但是對應(yīng)于圖7的壓電 層700 )和第三金屬層(也未示出，但是對應(yīng)于圖7的電極層712)，。 然后，蝕刻從第三金屬層開始向下進(jìn)行到(并且包括)第一金屬層910。 在該過程中期間，可期望改變上電介質(zhì)944、 "8和基層906的厚度以 如所期望或需要那樣平衡應(yīng)力并控制巻曲。
如上面所提到的，根據(jù)上面公開的概念制造的PVEH單元可用于各解說明了包含獨(dú)
立電源1104的示例性無線傳感器1100，該電源1104包括一般地與圖1 的PVEH單元具有類似構(gòu)造的PVEH單元1108。即，PVEH單元1108包括 多組(未示出)PME梁(未示出)。雖然未示出，這些組可以、但不是必 須地與圖2A的組200A-E類似地布置，并且每個PME梁例如可與圖6和 7中示出的雙壓電晶片梁600或者圖8中示出的單體電晶片梁800類似。 在該示例中，PVEH單元1108具有PME梁，這些PME梁具有以上面關(guān)于 圖4和5說明的方式進(jìn)行調(diào)諧的三種不同調(diào)諧，以便拓寬PVEH單元在 目標(biāo)頻率附近的有效帶寬。在圖11中，類調(diào)諧(like-tuned)的梁被 識別為第一組1112、第二組1116和第三組1120,并且這些組具有相應(yīng) 的各個不同基本諧振頻率 V Bl、 "V B2, V B2 和相應(yīng)的各個不同參數(shù)模態(tài)頻率
V pi、V P2'V P2。
為了優(yōu)化電源1104的性能，使用合適的隔離電路來使相似調(diào)諧的 梁的組1112、 1116、 1120相互電隔離，該合適的隔離電路例如諸如是 阻止任何非工作組(例如，因為這些非工作組未被周圍的驅(qū)動振動充分 激勵)從(多個)工作組排出電能的相應(yīng)的各個全橋整流器1124、 1128、 1132(在這里，作為示例的是二極管整流器)。以這種方式，從PVEH單 元1108輸出最大量功率。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可使用其它的隔離 電路。電源1104還包括存儲由PVEH單元1108所收集的電能以供其它 在無線傳感器上的電子系統(tǒng)使用的一個或多個電存儲裝置1136。每個電 存儲裝置1136都可以是任何合適的可再充電的裝置和鋰離子電池等等， 該合適的可再充電的裝置例如諸如是超級電容器(也被稱為"超高電容 器")或者可再充電電池。在該示例中，電源1104只具有用于從一個方 向上的驅(qū)動周圍振動收集振動的單個PVEH單元1108。應(yīng)該注意，可以 在一個或多個不同定向上提供一個或多個附加的、類PVEH的單元(未 示出)以用于收集其它方向上的振動。
在該示例中，當(dāng)溫度傳感器的應(yīng)用需要時，無線傳感器1100包括 一個或多個轉(zhuǎn)換器(transducer) 1140,諸如壓力轉(zhuǎn)換器、加速計、溫 度探頭等。無線傳感器1100進(jìn)一步包括用于控制無線傳感器的運(yùn)行的 微控制器1144以及用于允許無線傳感器與一個或多個其它裝置通信的 無線電發(fā)射器或者收發(fā)器1148，一個或多個其它裝置諸如是另一類無線 傳感器、中繼器、信息收集節(jié)點(diǎn)裝置或者基站裝置等等。除了微控制器1144以外或者替代微控制器1144，如果期望，無線傳感器1100可包括
向無線傳感器提供更高級數(shù)據(jù)處理功能的一個或多個微處理器。在該實 施例中，電源1104向每個轉(zhuǎn)換器1140、微控制器11"(或者微處理器) 以及收發(fā)器1148提供電能。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，每個轉(zhuǎn)換器1140、 微控制器1144 (或者微處理器)以及收發(fā)器1148都可以以傳統(tǒng)設(shè)計得 到，并因此不需要在此詳細(xì)"^兌明。
圖12圖解說明了包括多個傳感器節(jié)點(diǎn)1204A-G和中央站1208的無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)1200。該示例中的傳感器節(jié)點(diǎn)1204A-G中的每一個都包括 獨(dú)立的PME PVEH電源(未示出)并且類似于圖11的無線傳感器1100。 在該示例中，傳感器節(jié)點(diǎn)1204A-F可被認(rèn)為是終端節(jié)點(diǎn)，而傳感器節(jié)點(diǎn) 1204G可被認(rèn)為是中間節(jié)點(diǎn)。在該上下文中，終端節(jié)點(diǎn)一般只收集其自 身感測到的數(shù)據(jù)并且將該數(shù)據(jù)傳輸給任一另外的節(jié)點(diǎn)(諸如中間傳感器 1204G)或者中央站1208。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)是推進(jìn)式(push type)還是牽引式 (pull type)(和/或出于其它原因)，終端節(jié)點(diǎn)還可從中央站l208或 者另外的節(jié)點(diǎn)(諸如中間傳感器1204G)接收諸如牽引請求的信息。另 一方面，中間傳感器1204G持續(xù)地接收數(shù)據(jù)(在這里從傳感器節(jié)點(diǎn) 1204D-F),以及將數(shù)據(jù)發(fā)送給中央站1208。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理 解該如何配置傳感器節(jié)點(diǎn)1204A-G和中央站l208以在具有本公開PME PVEH單元的傳感器節(jié)點(diǎn)上下文中正常地運(yùn)行。
在上面已經(jīng)在附圖中公開并圖解說明了示例性實施例。本領(lǐng)域技術(shù) 人員將理解，可對在此具體公開的內(nèi)容做出各種改變、省略和添加而不 會背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種振動能量收獲器，包括諧振梁，所述諧振梁具有橫截面特性、第一彎曲方向上的基本諧振頻率和垂直于所述第一彎曲方向的第二彎曲方向上的參數(shù)模態(tài)頻率，其中選擇所述截面特性以將所述基本諧振頻率調(diào)諧成第一期望頻率并且將所述參數(shù)模態(tài)頻率調(diào)諧成第二期望頻率，所述諧振梁包括壓電材料，所述壓電材料用于響應(yīng)所述諧振梁在所述第一和第二彎曲方向中的每個方向上的彎曲而生成電能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動能量收獲器，其中所述諧振梁具有用于所 述第一彎曲方向的第一彎曲軸和用于所述第二彎曲方向的第二彎曲軸，所述 第一和第二彎曲軸限定第一、第二、第三和第四象限，從而所述第一和第二 象限在所述第一彎曲軸的相對側(cè)上相互相對，所述第二和第三象限在所述第 二彎曲軸的相對側(cè)上相互相對，所述諧振器進(jìn)一步包括相互間隔并且位于第 一、第二、第三和第四象限中的對應(yīng)的各個所述象限中的第一、第二、第三 和第四電極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的振動能量收獲器，其中所述壓電材料的第一 部分位于所述第一和第二電極之間，所述壓電材料的第二部分位于所述第 三和笫四電極之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的振動能量收獲器，其中所述壓電材料的所述 第一和第二部分相互間隔。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的振動能量收獲器，進(jìn)一步包括位于所述第一 和第二電極之間并與所述第一和第二電極間隔的第五電極以及位于所述第 三和第四電極之間并與所述第三和第四電極間隔的笫六電極，其中所述壓 電材料的第一部分位于所述第一和第五電極之間，所述壓電材料的第二部 分位于所述第四和第六電極之間，所述壓電材料的第三部分位于所述笫五 和第二電極之間并且所述壓電材料的第四部分位于所述第六和第三電極之 間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的振動能量收獲器，其中所述第一和第二部分 相互間隔并且所述第三和第四電極相互間隔。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的振動能量收獲器，其中所述第五和第六電極 中的每一個跨過所述第一彎曲軸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的振動能量收獲器，進(jìn)一步包括與所述第一、 第二、第三、第四、第五和第六電極中的每一個電通信的收獲電路，并且 被配置為用于從所述第一、第二、第三和第四象限中的每一個相互獨(dú)立地 收獲所述電能。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動能量收獲器,其中所述諧振梁是懸臂梁。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動能量收獲器，其中所述基本諧振頻率 位于50Hz到1500Hz范圍內(nèi)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的振動能量收獲器，其中所述基本諧振頻率 位于50Hz到250Hz范圍內(nèi)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動能量收獲器，其中選擇所述諧振梁的 橫截面特性，從而所述參數(shù)模態(tài)頻率落入所述基本諧振頻率的5Hz范圍內(nèi)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動能量收獲器，其中所述橫截面特性包 括平行于所述第一彎曲方向的方向上的厚度以及平行于所述第二彎曲方向 的方向上的厚度，其中所述寬度在所述厚度的1到8倍范圍內(nèi)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的振動能量收獲器，其中所述寬度在所述厚 度的l到3倍范圍內(nèi)。
15. —種振動能量收獲單元，包括相互電連接的多個壓電振動能量收獲(PVEH)模塊，其中所述PVEH 模塊中的每一個包括多個參數(shù)模態(tài)使能(PME)的PVEH梁，每個所述PME PVEH梁被配置為從基本諧振激勵和參數(shù)模態(tài)激勵中的每一個收獲電荷。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的振動能量收獲單元，其中所述PME PVEH 梁的每一個具有參數(shù)模態(tài)彎曲中軸并且包括位于所述 模態(tài)彎曲中軸的 相對側(cè)上的第一和第二壓電/電極堆疊體。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的振動能量收獲單元，其中所述第一壓電/電極 堆疊體包括第一多個電極并且所述第二壓電/電極堆疊體包括第二多個電極， 所述第二多個電極橫過所述參數(shù)模態(tài)彎曲中軸與所迷第 一多個電極間隔。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的振動能量收獲單元，其中所述多個PME PVEH 梁中的每一個是雙壓電晶片壓電梁。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的振動能量收獲單元，其中所述多個PVEH 模塊中的每一個的所述多個PME PVEH梁沿著公共面布置，并且所述多個 PVEH模塊牢靠地在垂直于所述公共面的方向上相互堆疊。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的振動能量收獲單元，其中以多個具有相應(yīng) 的各個不同調(diào)諧的組來提供所述多個PMEPVEH梁，其中所述不同調(diào)諧包括 不同的基本諧振頻率和不同的參數(shù)模態(tài)頻率。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的振動能量收獲單元，其中所述不同的基本 諧振頻率中的頻率與所述不同的基本諧振頻率中的任何緊鄰的一個頻率相 差小于5Hz。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的振動能量收獲單元，其中所述不同的參數(shù) 模態(tài)頻率中的頻率與所述不同的基本諧振頻率中的相應(yīng)的各個頻率相差小 于5Hz。
23. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的振動能量收獲單元，其中所述多個PME PVEH梁中的每一個具有所述基本諧振頻率的5Hz范圍內(nèi)的基本諧振頻率和 參數(shù)模態(tài)頻率。
24. —種無線傳感器，包括用于收集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換器；用于將所述數(shù)據(jù)傳輸給與所述無線傳感器間隔的接收器的無線發(fā)射 器；以及與所述轉(zhuǎn)換器和所述無線傳感器電通信的參數(shù)模態(tài)使能(PME)的壓電振動能量收獲(PVEH)電源，所述PMEPVEH電源被配置為在使用時在 所述無線傳感器周圍的環(huán)境中收集振動能量以便生成電能以供在使用期間 為所述轉(zhuǎn)換器和所述無線發(fā)射器供電。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的無線傳感器，其中所述PME PVEH電源包 括多個諧振梁，每個諧振梁具有參數(shù)模態(tài)彎曲中軸并且包括位于所述* 模態(tài)彎曲中軸的相對側(cè)上的第一和第二壓電/電極堆疊體。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的無線傳感器，其中所述第一壓電/電極堆 疊體包括第一多個電極并且所述第二壓電/電極堆疊體包括第二多個電極， 所述第二多個電極橫過所述參數(shù)模態(tài)彎曲中軸與所述第 一多個電極間隔。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的無線傳感器，其中所述多個梁中的每一個是 雙壓電晶片壓電梁。
28. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的無線傳感器，其中所述PMEPVEH電源包括多 個模塊，每個模塊具有多個諧振梁，并且所述多個模塊中的每一個的所述多 個梁中的梁沿著公共面布置，并且所述多個模塊牢靠地在垂直于所述公共面 的方向上相互堆疊。
29. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的無線傳感器，其中所述PME PVEH電源包括在多個組中所提供的多個諧振梁，所述多個組具有相應(yīng)的各個不同調(diào)諧，其 中所述不同調(diào)諧包括不同的基本諧振頻率和不同的參數(shù)模態(tài)頻率。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的無線傳感器，其中所述不同的基本諧振頻率 中的頻率與所述不同的基本諧振頻率中的任何緊鄰的一個頻率相差小于 5Hz。
31. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的無線傳感器，其中所述不同的參數(shù)模態(tài)頻 率中的頻率與所述不同的基本諧振頻率的相應(yīng)的各個頻率相差小于5Hz。
32. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的無線傳感器，其中所述PMEPVEH電源包括 多個諧振梁，每個諧振梁具有基本諧振頻率和所述基本諧振頻率的5Hz范 圍內(nèi)的參數(shù)模態(tài)頻率。
33. —種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括根據(jù)權(quán)利要求24所述的多個無線傳感器。
全文摘要
振動能量收獲(VEH)的結(jié)構(gòu)包括諧振梁，每個諧振梁具有基本諧振頻率和參數(shù)模態(tài)頻率；并且包括用于響應(yīng)該梁的基本諧振激勵和參數(shù)模態(tài)激勵中的每一個而生成電荷的至少一個壓電層。提供電路以用于從諧振梁收獲電荷。在某些實施例中，該梁的參數(shù)模態(tài)頻率被調(diào)諧成接近該梁的基本諧振頻率以便增加VEH結(jié)構(gòu)的有效帶寬?？梢酝ㄟ^將多個參數(shù)模態(tài)使能的諧振梁中的諧振梁調(diào)諧成稍微不同的基本諧振頻率和參數(shù)模態(tài)頻率來進(jìn)一步增加VEH結(jié)構(gòu)的有效帶寬。
文檔編號H01L41/00GK101641804SQ200880009115
公開日2010年2月3日 申請日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月21日
發(fā)明者J·吳, R·G·安多斯卡 申請人:佛蒙特大學(xué)及州立農(nóng)業(yè)學(xué)院