張穎異，溫志渝，鄧麗城

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所，重慶400060；2.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶400044；3.重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶400044）

圓片級(jí)低真空封裝的MEMS壓電振動(dòng)能量收集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

張穎異1，溫志渝2，3*，鄧麗城2，3

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所，重慶400060；2.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶400044；3.重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶400044）

MEMS低真空封裝技術(shù)能為MEMS器件的可動(dòng)部分提供低阻尼環(huán)境，降低能量損耗，有效提高器件的能量轉(zhuǎn)換效率，具有重要的研究意義和應(yīng)用前景，是MEMS技術(shù)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高M(jìn)EMS壓電振動(dòng)能量收集器的輸出性能，提出了圓片級(jí)低真空封裝的共質(zhì)量塊MEMS壓電懸臂梁陣列振動(dòng)能量收集器新結(jié)構(gòu)，通過有限元分析方法對(duì)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)下仿真器件輸出性能：在610 Hz、2 gn加速度下，器件的輸出電壓為8.88 V，輸出功率為1 220 μW，能滿足實(shí)際應(yīng)用需求；根據(jù)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了加工工藝流程，對(duì)低真空封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和封裝工藝探索具有重要意義。

MEMS；壓電；振動(dòng)能量收集器；低真空封裝

EEACC：7230；2550doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.004

高性能的MEMS壓電振動(dòng)能量收集器是新型微電子器件與系統(tǒng)的重要使能技術(shù)，為超低功耗新型微電子器件與系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的可持續(xù)、免維護(hù)和綠色電源供給提供了有效的途徑，在無(wú)人值守監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、智能建筑、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有迫切的應(yīng)用需求［1-2］。但縱觀MEMS壓電振動(dòng)能量收集器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，器件的輸出性能仍然有待進(jìn)一步提高，以滿足更多的應(yīng)用需求［3-6］。

MEMS壓電振動(dòng)能量收集器的振動(dòng)部分質(zhì)量較小，機(jī)械阻尼對(duì)其性能影響明顯，降低阻尼是提高器件性能的有效途徑。低真空封裝技術(shù)能夠有效降低器件機(jī)械阻尼，提高M(jìn)EMS壓電振動(dòng)能量收集器的輸出性能，同時(shí)也能提高器件的可靠性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性，降低器件的成本，因此低真空封裝技術(shù)是打破MEMS壓電振動(dòng)能量收集器實(shí)用化瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外的研究中多采用圓片級(jí)封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)低真空封裝結(jié)構(gòu)［7-9］。Elfrink等人設(shè)計(jì)了圓片級(jí)低真空封裝的基于AlN薄膜的壓電振動(dòng)能量收集器，將輸出功率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)［10］；陳德勇等人采用陽(yáng)極鍵合技術(shù)加工了圓片級(jí)真空封裝的壓力傳感器，具有更高的真空度和可靠性［11］；董艷等人采用Cu-Sn鍵合工藝開發(fā)了一種適于MEMS器件的基于W2W工藝的簡(jiǎn)單圓片級(jí)真空封裝方法［12］。

為了進(jìn)一步提高M(jìn)EMS壓電振動(dòng)能量收集器輸出性能，論文提出了一種圓片級(jí)低真空封裝的共質(zhì)量塊MEMS壓電懸臂梁陣列振動(dòng)能量收集器新結(jié)構(gòu)，通過采用有限元分析方法對(duì)圓片級(jí)低真空封裝MEMS壓電振動(dòng)能量收集器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析，得到了器件的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)及輸出性能；根據(jù)設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)及MEMS加工工藝形成了器件的加工工藝流程，對(duì)低真空封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)及封裝工藝的探索具有重要技術(shù)意義，為MEMS壓電振動(dòng)能量收集器實(shí)用化奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圓片級(jí)低真空封裝的MEMS壓電振動(dòng)能量收集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由能量收集芯片和封裝模塊構(gòu)成，采用硅-玻璃陽(yáng)極鍵合實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)低真空封裝。能量收集芯片用于振動(dòng)能量的獲取與轉(zhuǎn)換，封裝模塊用于實(shí)現(xiàn)低真空環(huán)境。

圖1　器件的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

能量收集芯片為基于PZT薄膜的共用質(zhì)量塊壓電懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)，采用d31工作模式，是獲取環(huán)境振動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)換為電能的結(jié)構(gòu)單元。通過壓電懸臂梁陣列共用質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)，能夠保證各壓電懸臂梁?jiǎn)卧恼駝?dòng)相位的一致性，減少因相位差導(dǎo)致的輸出電壓損失；壓電懸臂梁?jiǎn)卧g采用串聯(lián)方式連接，能有效提高輸出電壓，解決PZT材料輸出電壓低的問題［13-14］。

封裝模塊為Pyrex 7740玻璃腔體，采用硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的方式實(shí)現(xiàn)低真空封裝結(jié)構(gòu)。在微尺度下，空氣阻尼對(duì)諧振器件的性能影響十分顯著，低真空封裝可以有效的減少空氣阻尼、減少外部環(huán)境（灰塵，水分等）對(duì)振動(dòng)能量采集芯片諧振特性的影響，提高輸出性能［15］。硅-玻璃陽(yáng)極鍵合是一種操作簡(jiǎn)單、成本較低的鍵合工藝，具有較高的鏈接強(qiáng)度和較好的真空密封性能，應(yīng)用十分廣泛。Pyrex 7744玻璃的膨脹系數(shù)（2.8×10-6/℃）與硅（2.6×10-6/℃）幾乎一致，能夠有效提高陽(yáng)極鍵合成品率，提高封裝效率。

2　結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

本文采用有限元方法對(duì)圓片級(jí)低真空封裝MEMS壓電振動(dòng)能量收集器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化與分析。針對(duì)某特殊應(yīng)用環(huán)境需求，振動(dòng)能量收集器芯片的整體設(shè)計(jì)尺寸為12 mm×14 mm×0.5 mm，中心頻率為610 Hz，在2 g～4 g加速度下懸臂梁的最大應(yīng)力不超過230 MPa，為了降低圓片級(jí)低真空封裝難度，懸臂梁末端的最大位移應(yīng)盡可能的小。在滿足以上各設(shè)定技術(shù)參數(shù)的情況下，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使MEMS壓電振動(dòng)能量收集器輸出性能達(dá)到最佳。

2.1能量收集器芯片參數(shù)優(yōu)化

ANSYS仿真得到的能量收集器芯片幾何模型如圖2所示。芯片的整體尺寸一定，因此質(zhì)量塊寬為14 mm；壓電懸臂梁間間隙為0.1 mm，因此懸臂梁寬度為2.72 mm；質(zhì)量塊厚度0.5 mm。需要對(duì)懸臂梁長(zhǎng)、懸臂梁厚、質(zhì)量塊長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而懸臂梁長(zhǎng)與質(zhì)量塊長(zhǎng)之和為12 mm，確定一個(gè)參數(shù)則另一個(gè)參數(shù)相應(yīng)確定。由于MEMS加工中，長(zhǎng)寬方向尺寸的加工比厚度方向尺寸更容易控制，因此論文在給定的懸臂梁厚度下，調(diào)節(jié)懸臂梁長(zhǎng)以滿足器件的頻率要求；然后通過調(diào)節(jié)阻尼比，使懸臂梁應(yīng)力達(dá)到最大許用應(yīng)力，此時(shí)器件的輸出達(dá)到最大。

圖2　能量收集器芯片的ANSYS仿真圖

本文對(duì)不同梁厚下，頻率、輸出功率、最大應(yīng)力、最大位移和梁長(zhǎng)的關(guān)系進(jìn)行了仿真與分析，得到的關(guān)系曲線圖如圖3所示：（a）當(dāng)梁厚超過135 μm時(shí)，芯片的工作頻率將超過給定的中心頻率610 Hz，因此本文梁厚應(yīng)小于130 μm以滿足諧振頻率要求；（b）最大輸出功率在梁長(zhǎng)為3.55 mm時(shí)獲得；（c）最大應(yīng)力隨梁長(zhǎng)的增加而減小且全部滿足給定應(yīng)力（230 MPa）要求；（d）3.55 mm梁長(zhǎng)下梁厚增大則末端位移減小。結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)和輸出性能最佳要求，能量收集器芯片的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)與對(duì)應(yīng)的輸出性能如表1所示。

圖3　不同梁厚下，頻率（a）、輸出功率（b）、最大應(yīng)力（c）、最大位移（d）和梁長(zhǎng)的關(guān)系

表1　器件的結(jié)構(gòu)尺寸與相應(yīng)的輸出

2.2封裝模塊參數(shù)優(yōu)化

封裝結(jié)構(gòu)為能量收集器可動(dòng)部分提供真空環(huán)境，因此封裝玻璃腔體深度必須滿足質(zhì)量塊最大位移要求、使能量收集器正常工作，同時(shí)玻璃最大厚度不應(yīng)太大以便進(jìn)行硅-玻璃鍵合。使用ANSYS進(jìn)行分析腔體內(nèi)外壓力與玻璃應(yīng)變關(guān)系（圖4），可以得到在不同腔體深度下，腔體厚度與玻璃最大應(yīng)力和位移關(guān)系曲線（圖5）?？梢钥闯觯合嗤ＡШ穸认拢Ａ?yīng)力隨著腔體深度增大而增大；相同玻璃深度下，玻璃應(yīng)力位移隨玻璃厚度增大減小。Pyrex7740抗彎應(yīng)力為64 MPa，當(dāng)玻璃厚度大于200 μm時(shí)，腔體內(nèi)外壓力差造成的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于封裝玻璃的抗彎應(yīng)力，因此玻璃厚度設(shè)計(jì)為200 μm，腔體深度設(shè)計(jì)為0.55 mm。

圖4　玻璃腔的應(yīng)力（a）與應(yīng)變（b）分布

圖5　不同腔體深度1.2 mm（a）、1.5 mm（b）下，腔體厚度與玻璃最大應(yīng)力和位移關(guān)系曲線

3　加工工藝流程

合理的MEMS工藝流程設(shè)計(jì)能夠有效提高器件的成品率，論文根據(jù)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了圓片級(jí)低真空封裝MEMS壓電振動(dòng)能量收集器加工工藝流程。由于壓電懸臂梁厚度對(duì)MEMS壓電振動(dòng)能量收集器輸出影響大，在加工中需要精確控制，因此選取雙面拋光的SOI基片作為襯底；采用離子注入形成引線的工藝保證硅-玻璃鍵合后腔體的氣密性；采用硅結(jié)構(gòu)多次刻蝕的方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)釋放，解決ICP刻蝕過程中的散熱問題。

主要加工工藝流程如圖6所示：采用熱氧化法在基片上雙面生長(zhǎng)SiO2層；通過光刻形成圖形并離子注入形成引線；采用光刻與剝離工藝制備Ti/Pt下電極；通過溶膠凝膠法制備LaNiO3（LNO）及PZT壓電層并圖形化；采用磁控濺射金屬Al光刻形成上電極；采用濕法腐蝕、ICP刻蝕等工藝形成懸臂梁圖形、U型槽圖形、以及質(zhì)量塊圖形，硅結(jié)構(gòu)多次刻蝕實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)釋放；通過玻璃硅鍵合實(shí)現(xiàn)低真空封裝結(jié)構(gòu)。

圖6　器件的主要加工工藝流程圖

4　總結(jié)

為了進(jìn)一步提高M(jìn)EMS壓電振動(dòng)能量收集器的輸出性能，論文提出了基于圓片級(jí)低真空封裝的MEMS壓電振動(dòng)能量收集器新結(jié)構(gòu)；通過有限元仿真軟件ANSYS對(duì)能量收集器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析，得到優(yōu)化后的尺寸參數(shù)為：壓電懸臂梁?jiǎn)卧叽鐬?.72 mm×3.55 mm×0.125 mm，質(zhì)量塊尺寸為8.45 mm×14 mm×0.5 mm，封裝玻璃厚度為200 μm，真空腔深度為0.55 mm；在該優(yōu)化尺寸參數(shù)下對(duì)器件的輸出性能進(jìn)行仿真：在610 Hz、2gn加速度激勵(lì)下，器件的輸出電壓為8.88 V，輸出功率為1 220 μW，有效提高了能量收集器輸出性能，滿足微能源供電系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用需求。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)了加工工藝流程，對(duì)器件的加工應(yīng)用尤其是封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)圓片級(jí)低真空封裝工藝的探索具有重要意義。

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張穎異（1991-），女，重慶人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒛茉磁c微納米技術(shù)，zyymsc@cqu.edu.cn；

溫志渝（1949-），男，重慶人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲⑿蛡鞲衅飨到y(tǒng)和微型分析儀器，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)和完成了40余項(xiàng)國(guó)家項(xiàng)目，申請(qǐng)發(fā)明專利30余項(xiàng)，獲發(fā)專利14項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外發(fā)表論文200余篇，wzy@cqu.edu.cn。

Structure Design of MEMS Piezoelectric Vibration Energy Harvester with Wafer-Level Low Vacuum Packaging*

ZHANG Yingyi1，WEN Zhiyu2，3*，DENG Licheng2，3
（1.No.44 Research Institute of CETC，Chongqing 400060，China；2.National Key Laboratory of Fundamental Science of Micro/Nano-Device and System Technology，Chongqing 400044，China；3.College of Optoelectronic Engineering of Chongqing University，Chongqing 400044，China）

MEMS low vacuum packaging technology can provide low damping environment for the movable part of MEMS devices，decrease the energy loss，and improve the energy conversion efficiency of the devices.So it has im?portant research significance and application prospects，and becomes the study hotspot and difficulty of MEMS tech?nology.In order to further improve the output performance of MEMS piezoelectric vibration energy harvester，this paper proposes a new structure of wafer-level low vacuum packaged and piezoelectric cantilever array fixed on one sharing mass based MEMS piezoelectric vibration energy harvester，and optimization design and analysis for struc?ture parameters of the device is done by finite element method.The output performance is simulated at the opti?mized parameters：at 610 Hz and 2 g acceleration，the output voltage of the device is 8.88 V，and the output power is 1 220 mW，which can satisfy the need of practical application.The process flow is designed on the basis of the de?vice structure，it will be of great importance in the realization of low vacuum packaging structure and the exploration of package technology.

MEMS；piezoelectric；vibration；energy harvesting；low vacuum packaging

TP393

A

1004-1699（2016）09-1323-05

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2015AA042603）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（106112015CDJXY120002）

2016-03-05修改日期：2016-03-14