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設備提供能源，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。而在IOT設備應用的典型場(chǎng)景-工業(yè)環(huán)境中，高溫度及高濕度極端環(huán)境無(wú)處不在。靜電型振動(dòng)能量采集器內部預充電電荷受極端環(huán)境影響容易衰減，這對能量采集器的大規模應用造成極大挑戰。針對這一問(wèn)題，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院汪飛副院長(cháng)率領(lǐng)團隊研發(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型靜電能量采集器。當采集器內部電荷受到極端環(huán)境影響衰減后，利用內部集成的硅針尖，維護人員可在不破壞封裝結構的情況下對電荷進(jìn)行重新充電。經(jīng)過(guò)測試，經(jīng)過(guò)電荷修復后，輸出電壓及輸出功率均可恢復至修復前的水平。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(wèn)題，有望在未來(lái)得到工業(yè)應用。相關(guān)研究于2023年1月以Electrostatic Vibration Energy Harvester with A Self-Rechargeable Electret為標題被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(cháng)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工藝的電荷可修復型靜電能量采集器
研究背景
伴隨著(zhù)IOT技術(shù)以及集成電路的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)在人們的生產(chǎn)生活中得到大規模應用，例如目前新房裝修應用較多的全屋智能，以及工業(yè)生產(chǎn)中的智能化生產(chǎn)，工業(yè)5.0升級等，越來(lái)越多的傳感器被鋪設到人們活動(dòng)的每個(gè)角落。然而，基于電池供電的傳感器，需要頻繁維護的問(wèn)題一直困擾著(zhù)人們，也阻礙了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中的傳感器數量進(jìn)一步增長(cháng)。針對這一問(wèn)題，振動(dòng)能量采集技術(shù)應運而生。振動(dòng)能量采集技術(shù)是一種將環(huán)境中振動(dòng)能轉換成電能的技術(shù)，它可以采集環(huán)境中如人體運動(dòng)、機械振動(dòng)等振動(dòng)能，為低功耗傳感設備供電，免去電池維護的煩惱。
為了將振動(dòng)能轉換成電能，科學(xué)家們發(fā)明了多種能量轉換原理。其中，靜電原理的能量采集器通常由上下兩個(gè)極板和預充電駐極體組成。預充電駐極體和上下極板組成一個(gè)電容器，當上下極板因環(huán)境振動(dòng)激勵產(chǎn)生諧振，導致極板距離發(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，有望在傳感器等微型電子設備中得到應用。
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，其內部駐極體材料可能會(huì )發(fā)生玻璃化，導致預充電電荷的衰減，進(jìn)一步造成能量采集器輸出的衰減。如果需要對衰減的電荷進(jìn)行修復，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駐極體材料重新充電。而根據能量采集器的一般制造流程，上下極板獨立制造完成并對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(lái)。如果暴露于極端環(huán)境導致電荷衰減后，器件只能宣布報廢。這阻礙了能量采集器在工業(yè)環(huán)境中的應用。
器件及制造
圖2 基于MEMS工藝的器件制造流程
針對研究背景中的問(wèn)題，本文提出了一種基于MEMS工藝的電荷可修復型靜電能量采集器。該能量采集器由上下極板組成，分別由4英寸硅片單獨制造，通過(guò)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、防撞凸臺的掃描電子顯微鏡圖片
器件上極板的主要結構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)，維護人員可在不損壞器件封裝結構的情況下對器件進(jìn)行修復；下極板的主要結構為8×8的通孔陣列，以及預充電的駐極體層。當質(zhì)量塊受到環(huán)境振動(dòng)激勵上下運動(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)驗驗證
圖4 器件在出廠(chǎng)狀態(tài)、電荷衰減狀態(tài)、電荷修復后的對比測試圖。
圖4展示了該能量采集器在出廠(chǎng)狀態(tài)（經(jīng)過(guò)電暈充電后）、電荷衰減狀態(tài)（經(jīng)過(guò)170℃下15分鐘模擬極端環(huán)境瞬間高溫）、經(jīng)過(guò)電荷修復（利用集成硅針尖充電）后的駐極體表面電荷對比圖，以及器件輸出電壓對比圖?？梢郧逦目吹?，相較于器件的出廠(chǎng)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后，駐極體表面的電壓雖不均勻，但基本可恢復至出廠(chǎng)狀態(tài)。此外，對能量采集器的輸出電壓進(jìn)行采集，也可說(shuō)明經(jīng)過(guò)修復后，器件的輸出性能可恢復正常，足以給低功耗電子設備（如LED燈、傳感器等）供電。
圖5 經(jīng)過(guò)電荷修復的能量采集器，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(cháng)。2003年本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機械與精密儀器系，2008年于中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(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(kāi)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)擔任副教授并于2019年獲得長(cháng)聘。目前，汪飛副教授的研究領(lǐng)域主要為振動(dòng)能量采集、微機電系統、微型傳感器和半導體測試探針等。
汪飛課題組近年來(lái)研究重點(diǎn)圍繞微納能量收集技術(shù)以及用于環(huán)境監測的自供能傳感器等，已出版英文專(zhuān)著(zhù)3章節，累計發(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)域頂級國際會(huì )議Transducers和IEEEMEMS會(huì )議執行程序委員會(huì )ETPC Member，2019年獲得IEEE MEMS 2020會(huì )議邀請報告（全球8名，大陸唯一）。課題組研究工作長(cháng)期獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)杰出青年基金、深圳市科創(chuàng )委及南山區等各項經(jīng)費支持。
