压电式微机电能量收集器

逍遥设计自动化

引言

随着全球传感器市场持续增长，工业传感器市场预计到2029年将达到421亿美元。在各种能量收集技术中，压电式微机电系统(MEMS)能量收集器在将机械振动转换为电能方面具有独特优势。本文探讨采用无铅材料的新型压电MEMS能量收集器的设计、制造和性能[1]。
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" O/ ~" \1 S2 g7 l; M& m/ @, S器件结构与工作原理

  B3 ]" f, i  i! ?3 J& [8 n; v能量收集器的基本结构由双列压电悬臂梁阵列(2×10)组成，制作在面积为1平方厘米的单个芯片上。每个悬臂梁包含多个层次：硅基底、钛铂电极和掺钪的氮化铝(ScAlN)压电层。
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) z# D: D- l9 {; V# o图1：压电悬臂梁结构的详细概览，显示了分层组成，包括顶部电极(Ti/Pt)、压电层(掺钪AlN)、底部电极(Ti/Pt)和带质量块的硅基底。

器件基于直接压电效应工作 - 当压电材料受到机械应力时，会产生电荷。悬臂梁设计允许在振动过程中产生最大应变，从而提高电输出。悬臂梁的共振频率可以用以下公式描述：
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其中Yeq是等效杨氏模量，t、L和W分别代表悬臂梁的厚度、长度和宽度，mi和mc分别是质量块和悬臂梁的质量。
制造工艺

! B$ W4 s/ ^# s# \, P/ E3 Z制造工艺采用标准MEMS技术，使用五掩模工艺流程。工艺始于硅绝缘体(SOI)晶圆，具有10μm器件层、500nm埋氧层和400μm衬底厚度。
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图2：完整制造工艺流程，显示了顺序步骤：(a)底电极沉积，(b)压电层沉积，(c)顶电极形成，(d)悬臂梁图案化，(e)结构释放。

5 |- I  y6 a2 k关键步骤包括：

热氧化后沉积Ti-Pt底电极

射频溅射12%掺钪AlN压电层

沉积Ti-Pt顶电极

深反应离子刻蚀(DRIE)形成悬臂梁

背面DRIE和埋氧层去除以释放结构

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图3：制造使用的五个工艺掩模：(a)底电极图案化，(b)压电层配置，(c)顶电极图案化，(d)悬臂梁配置，(e)悬臂梁释放，(f)显示所有掩模叠加。
器件表征与性能

制造的器件使用多普勒干涉仪振动分析系统进行了广泛表征。共振频率测量显示悬臂梁阵列的值约为465 Hz。

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图4：(a)安装在陶瓷封装上的制造器件，显示悬臂梁的象限排列，(b)准备在印刷线路板上测试的器件。
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器件达到显著的性能指标：

最大输出功率：在1g加速度下为2.53μW

最优负载电阻：1MΩ

功率密度：未封装器件达到60.2 nW/mm3

稳定输出电压：在2g RMS加速度下为1.8V

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( o7 f! c9 Q" z' B8 W图5：不同加速度下的性能测量：(a,b)1g加速度响应和(c,d)1.5g加速度响应，分别显示有无转换线路的情况。
功率管理线路
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$ P0 j2 o. x5 E3 J. i# Z" w* b为将收集的能量转换为可用功率，器件采用LTC3588-1集成线路，该线路结合了低损耗桥式整流器和高效降压转换器。

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图6：使用LTC3588-1的转换线路电路图，显示完整功率管理系统配置。

该线路成功将压电悬臂梁的可变交流输出转换为稳定的1.8V直流输出，适合为各种低功耗电子器件和传感器供电。
应用与发展

该能量收集器设计特别适用于存在振动源的工业应用。器件可以间歇性为超低功耗微控制器和传感器节点供电，特别适合工业环境中的物联网应用。
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& p: ~+ j; r2 d" N未来改进可以集中在优化DRIE工艺以实现悬臂梁特性的更好均匀性，以及探索替代悬臂梁排列以提高功率输出和频率带宽。紧凑的尺寸和无铅成分使这种设计符合环保和可持续能源目标。
2 ^! |: a1 B5 l3 U; L7 w, @参考文献
1 N) `3 f( |, {) c9 Q, R
- v/ i: o( v2 R( H3 H$ O* E& ?4 F+ g[1] G. Muscalu et al., "Piezoelectric MEMS Energy Harvester for Low-Power Applications," Electronics, vol. 13, no. 11, p. 2087, May 2024, https://doi.org/10.3390/electronics13112087
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