压电式微机电能量收集器

逍遥设计自动化

引言

1 J' b0 b& W' y5 i8 a% ~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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) b: r9 W) e: H# d器件结构与工作原理
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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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% a1 m2 s7 Q* U* s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。
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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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/ S# J$ t# k+ G6 [9 L4 @& Q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

/ o/ ~7 X4 g. i) N8 \7 d, {* Y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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1 R7 u) t+ |5 t! z+ ]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。
2 g* A/ d, Q' A( \( L! B
5 N, R* q$ F. _' d0 m( y# D1 l4 U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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9 H1 H) r& n5 i! U: `( g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。
8 v+ ]/ X! S8 f- N' a" ^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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) z. C5 G6 \* n3 v5 X5 N8 m+ D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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7 U, I  j: R6 N: Y, q1 F9 h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。
: Z+ X  l0 G. l功率管理线路
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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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9 W5 r1 `) r" F: `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。
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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。
! Z/ L( c" ?% U/ X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。

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。
参考文献
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3 `( ]5 W5 B& v7 H& D[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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8 c8 Q- C, T7 i" Y6 K7 r深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

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