南方科技大学在MEMS静电能量采集器领域取得新进展

振动能量采集器因其可代替电池，收集环境中振动能为物联网（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。

上述相关研究于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

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2 基于MEMS工艺的器件制造流程

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。

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

实验验证

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5 经过电荷修复的能量采集器，可成功点亮LED灯

审核编辑：刘清