基于两种非线性理论的新型MEMS振动能量收集芯片研究

Purpose of this application is to develop a novel MEMS vibration harvester, which craetively employes the Duffing nonlinear vibrational theory to extent frequency resonant bandwidth, and the synchronized switch dmaping (SSD)technolog is also adopted to improve the output power. In contrast to conventional MEMS harvesters, those two new nonlinear technologies help overcome disadvantages of narrow bandwidth and low output power. Moreover, a now process is aslo purposed to sinter Lead Zirconate Titanate (PZT) film by using microwave. By means of the wafer level packaging (WLP), fabrication and packaging can be done simultaneously on a wafer. The main research content includes: analysis on work principle of the nonlinear MEMS vibration harvester, nonlinear structure design, stress control of vibrational beams, mask layout design of the harvester, fabrication process flow design, research on the fabrication and packaging, research and design of the SSD system,verification and evaluation of the novel MEMS harvester..This project offers not only new ideas for the development of the MEMS harvesters, but also fresh solutions to break through the technical bottleneck of vibration energy harvesting. And the successfully fabricated MEMS harvesters can be widely used in the wireless sensor network as an uninterruptible power source.

创新性地采用杜芬非线性振动原理来扩展响应频谱，并采用非线性同步阻尼开关技术来提高输出功率，基于以上两项关键创新，设计和制作新型压电式MEMS振动能量收集器。从而克服目前常规MEMS能量收集器件的单频点响应，功率输出低的缺点。此外，创新性的提出采用微波烧结的方式制备高性能PZT薄膜，并提出了一种圆片级真空封装方案，将MEMS能量收集器的制造和封装同时在晶圆上完成。主要研究内容包括：新型MEMS压电振动能量收集器的工作原理分析；收集器的结构设计研究；振梁应力控制研究；收集器的光刻版图设计、工艺流程设计及加工；收集器圆片级封装方案研究；同步阻尼开关系统研究及设计；新型MEMS压电振动能量收集器原理验证及关键性能指标评测。本项目将为MEMS能量收集技术发展提供新的思路，为突破振动式能量收集的技术瓶颈提供新的解决方案并奠定理论研究基础。器件研制成功后可作为不间断长效电源广泛应用于无线传感节点网络。

无线传感器网络节点的能源管理问题是延长无线网络传感器应用寿命和降低成本的关键，成为无线传感器网络的研究的核心问题之一，涉及到两个方面问题，即供能与耗能问题。因此，要解决无线传感器网络节点的能源管理问题也必须从这两个方面进行深入细致的研究。.本项目对目前常用的压电材料氮化铝和PZT的特性及制备进行了深入研究，并结合不同压电材料的特点，制定了相应的MEMS工艺流程。经过实验发现，在氮气比率40%，溅射腔体压强4.5毫托，溅射功率400瓦的情况所制备的氮化铝材料具有较好的002晶向，基本满足制备能量收集器件的压电特性需求。采用导电胶键合后减薄PZT的方案，实现了厚度为15微米左右的键合牢固硅/PZT复合梁，以上两种压电材料的研究结果都应用在了后续的器件制备中。.采用杜芬非线性振动原理来扩展响应频谱，对于非线性振动系统，振幅的变化会导致系统中非线性刚度的改变，这一改变将会反馈到系统中致使其等效共振频率得到调整以维持系统处在共振状态，非线性刚度的反馈作用使得非线性系统相对于线性系统能工作在更广的频率范围内。设计了非线性震动结构并制备了宽频能量收集器的原型器件，经过实际测试开路电压可以达到0.9V。同时对不同的能量收集电路进行了系统的分析和研究，最终采用SSHI电路与器件进行联合测试，实验结果表明在采用大体积PZT材料的情况下，储能超级电容两侧电压在电压维持在2.8V水平，在具有持续、稳定且有效的振动条件下，可以保持长期稳定的工作。