振動(dòng)能量采集器因其可代替電池，收集環(huán)境中振動(dòng)能為IOT設(shè)備提供能源，近年來受到廣泛關(guān)注。而在IOT設(shè)備應(yīng)用的典型場(chǎng)景-工業(yè)環(huán)境中，高溫度及高濕度極端環(huán)境無處不在。靜電型振動(dòng)能量采集器內(nèi)部預(yù)充電電荷受極端環(huán)境影響容易衰減，這對(duì)能量采集器的大規(guī)模應(yīng)用造成極大挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問題，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院汪飛副院長(zhǎng)率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款基于MEMS技術(shù)制造的，集成了硅針尖陣列的電荷可修復(fù)型靜電能量采集器。當(dāng)采集器內(nèi)部電荷受到極端環(huán)境影響衰減后，利用內(nèi)部集成的硅針尖，維護(hù)人員可在不破壞封裝結(jié)構(gòu)的情況下對(duì)電荷進(jìn)行重新充電。經(jīng)過測(cè)試，經(jīng)過電荷修復(fù)后，輸出電壓及輸出功率均可恢復(fù)至修復(fù)前的水平。該研究解決了能量采集器在工業(yè)環(huán)境中的輸出衰減問題，有望在未來得到工業(yè)應(yīng)用。相關(guān)研究于2023年1月以Electrostatic Vibration Energy Harvester with A Self-Rechargeable Electret為標(biāo)題被IEEEElectron Device Letters雜志（JCR Q1，電子器件領(lǐng)域頂刊）接收。汪飛課題組的研究助理教授李明杰為文章第一作者，校長(zhǎng)卓越博士后羅安信為文章共同第一作者，汪飛副教授為通訊作者。
圖1 基于MEMS工藝的電荷可修復(fù)型靜電能量采集器
研究背景
伴隨著IOT技術(shù)以及集成電路的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)在人們的生產(chǎn)生活中得到大規(guī)模應(yīng)用，例如目前新房裝修應(yīng)用較多的全屋智能，以及工業(yè)生產(chǎn)中的智能化生產(chǎn)，工業(yè)5.0升級(jí)等，越來越多的傳感器被鋪設(shè)到人們活動(dòng)的每個(gè)角落。然而，基于電池供電的傳感器，需要頻繁維護(hù)的問題一直困擾著人們，也阻礙了無線傳感網(wǎng)中的傳感器數(shù)量進(jìn)一步增長(zhǎng)。針對(duì)這一問題，振動(dòng)能量采集技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。振動(dòng)能量采集技術(shù)是一種將環(huán)境中振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，它可以采集環(huán)境中如人體運(yùn)動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等振動(dòng)能，為低功耗傳感設(shè)備供電，免去電池維護(hù)的煩惱。
為了將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，科學(xué)家們發(fā)明了多種能量轉(zhuǎn)換原理。其中，靜電原理的能量采集器通常由上下兩個(gè)極板和預(yù)充電駐極體組成。預(yù)充電駐極體和上下極板組成一個(gè)電容器，當(dāng)上下極板因環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致極板距離發(fā)生變化時(shí)，該電容器的電容也因此發(fā)生變化，從而導(dǎo)致靜電電荷從上下極板之間發(fā)生定向移動(dòng)形成電流。采用靜電原理的能量采集器因其較高的功率密度和可與IC工藝兼容的優(yōu)勢(shì)，有望在傳感器等微型電子設(shè)備中得到應(yīng)用。
然而，靜電能量采集器在暴露于工業(yè)生產(chǎn)下可能發(fā)生的瞬間高溫環(huán)境后，其內(nèi)部駐極體材料可能會(huì)發(fā)生玻璃化，導(dǎo)致預(yù)充電電荷的衰減，進(jìn)一步造成能量采集器輸出的衰減。如果需要對(duì)衰減的電荷進(jìn)行修復(fù)，需要將駐極體材料裸露于帶有高電壓的針尖附件，利用電暈充電的方法對(duì)駐極體材料重新充電。而根據(jù)能量采集器的一般制造流程，上下極板獨(dú)立制造完成并對(duì)駐極體材料充電完成后，兩個(gè)極板會(huì)組裝鍵合并徹底封裝起來。如果暴露于極端環(huán)境導(dǎo)致電荷衰減后，器件只能宣布報(bào)廢。這阻礙了能量采集器在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用。
器件及制造
圖2 基于MEMS工藝的器件制造流程
針對(duì)研究背景中的問題，本文提出了一種基于MEMS工藝的電荷可修復(fù)型靜電能量采集器。該能量采集器由上下極板組成，分別由4英寸硅片單獨(dú)制造，通過光刻、SiO2的BOE濕法與ICP干法刻蝕、硅的KOH濕法刻蝕、Al/Cr金屬電極的蒸發(fā)沉積、CYTOP駐極體材料的噴涂成膜等工藝制造，利用電暈充電對(duì)駐極體材料充電后組裝鍵合成型。
圖3 器件的實(shí)物圖以及通孔、針尖、防撞凸臺(tái)的掃描電子顯微鏡圖片
器件上極板的主要結(jié)構(gòu)為四根懸臂梁支撐的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊上集成了3×3的硅針尖。當(dāng)器件組裝完成后，若暴露于極端環(huán)境中，電荷衰減時(shí)，維護(hù)人員可在不損壞器件封裝結(jié)構(gòu)的情況下對(duì)器件進(jìn)行修復(fù)；下極板的主要結(jié)構(gòu)為8×8的通孔陣列，以及預(yù)充電的駐極體層。當(dāng)質(zhì)量塊受到環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，通孔陣列可減少質(zhì)量塊的阻尼力，提高器件的輸出性能。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
圖4 器件在出廠狀態(tài)、電荷衰減狀態(tài)、電荷修復(fù)后的對(duì)比測(cè)試圖。
圖4展示了該能量采集器在出廠狀態(tài)（經(jīng)過電暈充電后）、電荷衰減狀態(tài)（經(jīng)過170℃下15分鐘模擬極端環(huán)境瞬間高溫）、經(jīng)過電荷修復(fù)（利用集成硅針尖充電）后的駐極體表面電荷對(duì)比圖，以及器件輸出電壓對(duì)比圖?？梢郧逦目吹剑噍^于器件的出廠狀態(tài)，在暴露于高溫極端環(huán)境后，駐極體的電荷幾乎衰減到0；而利用集成硅針尖修復(fù)后，駐極體表面的電壓雖不均勻，但基本可恢復(fù)至出廠狀態(tài)。此外，對(duì)能量采集器的輸出電壓進(jìn)行采集，也可說明經(jīng)過修復(fù)后，器件的輸出性能可恢復(fù)正常，足以給低功耗電子設(shè)備（如LED燈、傳感器等）供電。
圖5 經(jīng)過電荷修復(fù)的能量采集器，可成功點(diǎn)亮LED燈
汪飛課題組介紹
汪飛博士，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院副教授、副院長(zhǎng)。2003年本科畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系，2008年于中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所獲得博士學(xué)位。2008年赴丹麥科技大學(xué)微納米技術(shù)系開展博士后研究，并于2010年升職為助理教授。2013年加入南方科技大學(xué)擔(dān)任副教授并于2019年獲得長(zhǎng)聘。目前，汪飛副教授的研究領(lǐng)域主要為振動(dòng)能量采集、微機(jī)電系統(tǒng)、微型傳感器和半導(dǎo)體測(cè)試探針等。
汪飛課題組近年來研究重點(diǎn)圍繞微納能量收集技術(shù)以及用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的自供能傳感器等，已出版英文專著3章節(jié)，累計(jì)發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，其中SCI期刊論文100余篇(3篇封面，1篇能量收集工作評(píng)為ESI高被引論文)，包括Nano Energy、Applied Energy、IEEE EDL、Sensor and Actuators A&B、J.MEMS、JMM等領(lǐng)域一流期刊。汪飛副教授被推選為微納傳感器領(lǐng)域頂級(jí)國(guó)際會(huì)議Transducers和IEEEMEMS會(huì)議執(zhí)行程序委員會(huì)ETPC Member，2019年獲得IEEE MEMS 2020會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告（全球8名，大陸唯一）。課題組研究工作長(zhǎng)期獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)杰出青年基金、深圳市科創(chuàng)委及南山區(qū)等各項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持。
