圓片級低真空封裝的MEMS壓電振動能量收集器結構設計*

張穎異，溫志渝，鄧麗城

（1.中國電子科技集團公司第四十四研究所，重慶400060；2.重慶大學新型微納器件與系統(tǒng)技術國防重點學科實驗室，重慶400044；3.重慶大學光電工程學院，重慶400044）

圓片級低真空封裝的MEMS壓電振動能量收集器結構設計*

張穎異1，溫志渝2，3*，鄧麗城2，3

（1.中國電子科技集團公司第四十四研究所，重慶400060；2.重慶大學新型微納器件與系統(tǒng)技術國防重點學科實驗室，重慶400044；3.重慶大學光電工程學院，重慶400044）

MEMS低真空封裝技術能為MEMS器件的可動部分提供低阻尼環(huán)境，降低能量損耗，有效提高器件的能量轉換效率，具有重要的研究意義和應用前景，是MEMS技術的研究熱點和難點。為了進一步提高MEMS壓電振動能量收集器的輸出性能，提出了圓片級低真空封裝的共質量塊MEMS壓電懸臂梁陣列振動能量收集器新結構，通過有限元分析方法對器件結構參數進行了優(yōu)化設計，在優(yōu)化結構參數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，能滿足實際應用需求；根據器件結構設計了加工工藝流程，對低真空封裝結構的實現和封裝工藝探索具有重要意義。

MEMS；壓電；振動能量收集器；低真空封裝

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

高性能的MEMS壓電振動能量收集器是新型微電子器件與系統(tǒng)的重要使能技術，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)、免維護和綠色電源供給提供了有效的途徑，在無人值守監(jiān)測網絡、智能建筑、物聯網等領域具有迫切的應用需求［1-2］。但縱觀MEMS壓電振動能量收集器的研究現狀與發(fā)展趨勢，器件的輸出性能仍然有待進一步提高，以滿足更多的應用需求［3-6］。

MEMS壓電振動能量收集器的振動部分質量較小，機械阻尼對其性能影響明顯，降低阻尼是提高器件性能的有效途徑。低真空封裝技術能夠有效降低器件機械阻尼，提高MEMS壓電振動能量收集器的輸出性能，同時也能提高器件的可靠性、長期穩(wěn)定性，降低器件的成本，因此低真空封裝技術是打破MEMS壓電振動能量收集器實用化瓶頸的關鍵技術。目前，國內外的研究中多采用圓片級封裝技術來實現低真空封裝結構［7-9］。Elfrink等人設計了圓片級低真空封裝的基于AlN薄膜的壓電振動能量收集器，將輸出功率提高了一個數量級［10］；陳德勇等人采用陽極鍵合技術加工了圓片級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工藝的簡單圓片級真空封裝方法［12］。

為了進一步提高MEMS壓電振動能量收集器輸出性能，論文提出了一種圓片級低真空封裝的共質量塊MEMS壓電懸臂梁陣列振動能量收集器新結構，通過采用有限元分析方法對圓片級低真空封裝MEMS壓電振動能量收集器進行了結構參數的系統(tǒng)優(yōu)化設計與分析，得到了器件的優(yōu)化結構參數及輸出性能；根據設計的器件結構及MEMS加工工藝形成了器件的加工工藝流程，對低真空封裝結構的實現及封裝工藝的探索具有重要技術意義，為MEMS壓電振動能量收集器實用化奠定了理論與技術基礎。

1　結構設計

圓片級低真空封裝的MEMS壓電振動能量收集器的結構設計如圖1所示，主要由能量收集芯片和封裝模塊構成，采用硅-玻璃陽極鍵合實現圓片級低真空封裝。能量收集芯片用于振動能量的獲取與轉換，封裝模塊用于實現低真空環(huán)境。

圖1　器件的整體結構設計流程圖

能量收集芯片為基于PZT薄膜的共用質量塊壓電懸臂梁陣列式結構，采用d31工作模式，是獲取環(huán)境振動能并將其轉換為電能的結構單元。通過壓電懸臂梁陣列共用質量塊的結構，能夠保證各壓電懸臂梁單元的振動相位的一致性，減少因相位差導致的輸出電壓損失；壓電懸臂梁單元之間采用串聯方式連接，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-玻璃陽極鍵合的方式實現低真空封裝結構。在微尺度下，空氣阻尼對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）對振動能量采集芯片諧振特性的影響，提高輸出性能［15］。硅-玻璃陽極鍵合是一種操作簡單、成本較低的鍵合工藝，具有較高的鏈接強度和較好的真空密封性能，應用十分廣泛。Pyrex 7744玻璃的膨脹系數（2.8×10-6/℃）與硅（2.6×10-6/℃）幾乎一致，能夠有效提高陽極鍵合成品率，提高封裝效率。

2　結構參數優(yōu)化

本文采用有限元方法對圓片級低真空封裝MEMS壓電振動能量收集器的結構參數進行了優(yōu)化與分析。針對某特殊應用環(huán)境需求，振動能量收集器芯片的整體設計尺寸為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力不超過230 MPa，為了降低圓片級低真空封裝難度，懸臂梁末端的最大位移應盡可能的小。在滿足以上各設定技術參數的情況下，采用有限元分析軟件ANSYS對結構參數進行優(yōu)化設計，以使MEMS壓電振動能量收集器輸出性能達到最佳。

2.1能量收集器芯片參數優(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；質量塊厚度0.5 mm。需要對懸臂梁長、懸臂梁厚、質量塊長進行優(yōu)化設計，而懸臂梁長與質量塊長之和為12 mm，確定一個參數則另一個參數相應確定。由于MEMS加工中，長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，調節(jié)懸臂梁長以滿足器件的頻率要求；然后通過調節(jié)阻尼比，使懸臂梁應力達到最大許用應力，此時器件的輸出達到最大。

圖2　能量收集器芯片的ANSYS仿真圖

本文對不同梁厚下，頻率、輸出功率、最大應力、最大位移和梁長的關系進行了仿真與分析，得到的關系曲線圖如圖3所示：（a）當梁厚超過135 μm時，芯片的工作頻率將超過給定的中心頻率610 Hz，因此本文梁厚應小于130 μm以滿足諧振頻率要求；（b）最大輸出功率在梁長為3.55 mm時獲得；（c）最大應力隨梁長的增加而減小且全部滿足給定應力（230 MPa）要求；（d）3.55 mm梁長下梁厚增大則末端位移減小。結合設計參數和輸出性能最佳要求，能量收集器芯片的結構尺寸參數與對應的輸出性能如表1所示。

圖3　不同梁厚下，頻率（a）、輸出功率（b）、最大應力（c）、最大位移（d）和梁長的關系

表1　器件的結構尺寸與相應的輸出

2.2封裝模塊參數優(yōu)化

封裝結構為能量收集器可動部分提供真空環(huán)境，因此封裝玻璃腔體深度必須滿足質量塊最大位移要求、使能量收集器正常工作，同時玻璃最大厚度不應太大以便進行硅-玻璃鍵合。使用ANSYS進行分析腔體內外壓力與玻璃應變關系（圖4），可以得到在不同腔體深度下，腔體厚度與玻璃最大應力和位移關系曲線（圖5）?？梢钥闯觯合嗤ＡШ穸认?，玻璃應力隨著腔體深度增大而增大；相同玻璃深度下，玻璃應力位移隨玻璃厚度增大減小。Pyrex7740抗彎應力為64 MPa，當玻璃厚度大于200 μm時，腔體內外壓力差造成的最大應力遠小于封裝玻璃的抗彎應力，因此玻璃厚度設計為200 μm，腔體深度設計為0.55 mm。

圖4　玻璃腔的應力（a）與應變（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力和位移關系曲線

3　加工工藝流程

合理的MEMS工藝流程設計能夠有效提高器件的成品率，論文根據器件結構設計了圓片級低真空封裝MEMS壓電振動能量收集器加工工藝流程。由于壓電懸臂梁厚度對MEMS壓電振動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；采用硅結構多次刻蝕的方法實現結構釋放，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、以及質量塊圖形，硅結構多次刻蝕實現結構釋放；通過玻璃硅鍵合實現低真空封裝結構。

圖6　器件的主要加工工藝流程圖

4　總結

為了進一步提高MEMS壓電振動能量收集器的輸出性能，論文提出了基于圓片級低真空封裝的MEMS壓電振動能量收集器新結構；通過有限元仿真軟件ANSYS對能量收集器結構進行了優(yōu)化設計與分析，得到優(yōu)化后的尺寸參數為：壓電懸臂梁單元尺寸為2.72 mm×3.55 mm×0.125 mm，質量塊尺寸為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)化尺寸參數下對器件的輸出性能進行仿真：在610 Hz、2gn加速度激勵下，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)中實際應用需求。根據優(yōu)化設計的器件結構參數設計了加工工藝流程，對器件的加工應用尤其是封裝結構的實現以及對圓片級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，主要研究方向為微能源與微納米技術，zyymsc@cqu.edu.cn；

溫志渝（1949-），男，重慶人，教授，博士生導師，主要研究方向為微型傳感器系統(tǒng)和微型分析儀器，作為項目負責人承擔和完成了40余項國家項目，申請發(fā)明專利30余項，獲發(fā)專利14項，在國內外發(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

項目來源：國家863計劃項目（2015AA042603）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（106112015CDJXY120002）

2016-03-05修改日期：2016-03-14