深港微电子学院汪飞课题组在MEMS静电能量采集器领域取得新进展

2023-02-22 科研聚焦 浏览量：16234

振动能量采集器因其可代替电池，收集环境中振动能为IOT设备提供能源，近年来受到广泛关注。而在IOT设备应用的典型场景-工业环境中，高温度及高湿度极端环境无处不在。静电型振动能量采集器内部预充电电荷受极端环境影响容易衰减，这对能量采集器的大规模应用造成极大挑战。针对这一问题，南方科技大学深港微电子学院汪飞副院长率领团队研发了一款基于MEMS技术制造的，集成了硅针尖阵列的电荷可修复型静电能量采集器。当采集器内部电荷受到极端环境影响衰减后，利用内部集成的硅针尖，维护人员可在不破坏封装结构的情况下对电荷进行重新充电。经过测试，经过电荷修复后，输出电压及输出功率均可恢复至修复前的水平。该研究解决了能量采集器在工业环境中的输出衰减问题，有望在未来得到工业应用。相关研究于2023年1月以“Electrostatic Vibration Energy Harvester with A Self-Rechargeable Electret”为标题被IEEE Electron Device Letters杂志（JCR Q1，电子器件领域顶刊）接收。汪飞课题组的研究助理教授李明杰为文章第一作者，“校长卓越博士后”罗安信为文章共同第一作者，汪飞副教授为通讯作者。

图1 基于MEMS工艺的电荷可修复型静电能量采集器

研究背景

伴随着IOT技术以及集成电路的发展，无线传感网在人们的生产生活中得到大规模应用，例如目前新房装修应用较多的“全屋智能”，以及工业生产中的智能化生产，工业5.0升级等，越来越多的传感器被铺设到人们活动的每个角落。然而，基于电池供电的传感器，需要频繁维护的问题一直困扰着人们，也阻碍了无线传感网中的传感器数量进一步增长。针对这一问题，振动能量采集技术应运而生。振动能量采集技术是一种将环境中振动能转换成电能的技术，它可以采集环境中如人体运动、机械振动等振动能，为低功耗传感设备供电，免去电池维护的烦恼。

为了将振动能转换成电能，科学家们发明了多种能量转换原理。其中，静电原理的能量采集器通常由上下两个极板和预充电驻极体组成。预充电驻极体和上下极板组成一个电容器，当上下极板因环境振动激励产生谐振，导致极板距离发生变化时，该电容器的电容也因此发生变化，从而导致静电电荷从上下极板之间发生定向移动形成电流。采用静电原理的能量采集器因其较高的功率密度和可与IC工艺兼容的优势，有望在传感器等微型电子设备中得到应用。

然而，静电能量采集器在暴露于工业生产下可能发生的瞬间高温环境后，其内部驻极体材料可能会发生玻璃化，导致预充电电荷的衰减，进一步造成能量采集器输出的衰减。如果需要对衰减的电荷进行修复，需要将驻极体材料裸露于带有高电压的针尖附件，利用电晕充电的方法对驻极体材料重新充电。而根据能量采集器的一般制造流程，上下极板独立制造完成并对驻极体材料充电完成后，两个极板会组装键合并彻底封装起来。如果暴露于极端环境导致电荷衰减后，器件只能宣布报废。这阻碍了能量采集器在工业环境中的应用。

器件及制造

图2 基于MEMS工艺的器件制造流程

针对研究背景中的问题，本文提出了一种基于MEMS工艺的电荷可修复型静电能量采集器。该能量采集器由上下极板组成，分别由4英寸硅片单独制造，通过光刻、SiO2的BOE湿法与ICP干法刻蚀、硅的KOH湿法刻蚀、Al/Cr金属电极的蒸发沉积、CYTOP驻极体材料的喷涂成膜等工艺制造，利用电晕充电对驻极体材料充电后组装键合成型。

图3 器件的实物图以及通孔、针尖、防撞凸台的扫描电子显微镜图片

器件上极板的主要结构为四根悬臂梁支撑的质量块，质量块上集成了3×3的硅针尖。当器件组装完成后，若暴露于极端环境中，电荷衰减时，维护人员可在不损坏器件封装结构的情况下对器件进行修复；下极板的主要结构为8×8的通孔阵列，以及预充电的驻极体层。当质量块受到环境振动激励上下运动时，通孔阵列可减少质量块的阻尼力，提高器件的输出性能。 

实验验证

图4 器件在出厂状态、电荷衰减状态、电荷修复后的对比测试图。

图4展示了该能量采集器在出厂状态（经过电晕充电后）、电荷衰减状态（经过170℃下15分钟模拟极端环境瞬间高温）、经过电荷修复（利用集成硅针尖充电）后的驻极体表面电荷对比图，以及器件输出电压对比图。可以清晰的看到，相较于器件的出厂状态，在暴露于高温极端环境后，驻极体的电荷几乎衰减到0；而利用集成硅针尖修复后，驻极体表面的电压虽不均匀，但基本可恢复至出厂状态。此外，对能量采集器的输出电压进行采集，也可说明经过修复后，器件的输出性能可恢复正常，足以给低功耗电子设备（如LED灯、传感器等）供电。

图5 经过电荷修复的能量采集器，可成功点亮LED灯

课题组介绍

汪飞（通讯作者，课题组组长）：南方科技大学深港微电子学院副教授、副院长。2003年本科毕业于中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，2008年于中国科学院上海微系统与信息技术研究所获得博士学位。2008年赴丹麦科技大学微纳米技术系开展博士后研究，并于2010年升职为助理教授。2013年加入南方科技大学担任副教授并于2019年获得长聘。目前，汪飞副教授的研究领域主要为振动能量采集、微机电系统、微型传感器和半导体测试探针等。

汪飞课题组近年来研究重点围绕微纳能量收集技术以及用于环境监测的自供能传感器等，已出版英文专著3章节，累计发表学术论文200余篇，其中SCI期刊论文100余篇(3篇封面，1篇能量收集工作评为ESI高被引论文)，包括Nano Energy、Applied Energy、IEEE EDL、Sensor and Actuators A&B、J.MEMS、JMM等领域一流期刊。汪飞副教授被推选为微纳传感器领域顶级国际会议Transducers 和IEEE MEMS会议执行程序委员会ETPC Member，2019年获得IEEE MEMS 2020会议邀请报告（全球8名，大陆唯一）。课题组研究工作长期获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金、深圳市科创委及南山区等各项经费支持。

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10032134