振動能量采集器因其可代替電池，收集環(huán)境中振動能為物聯(lián)網(wǎng)（IOT）設備提供能源，近年來受到廣泛關注。而在IOT設備應用的典型場景-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(guī)模應用造成極大挑戰(zhàn)。

針對這一問題，南方科技大學深港微電子學院汪飛副院長率領團隊研發(fā)了一款基于MEMS技術制造的，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行重新充電。經(jīng)過測試，經(jīng)過電荷修復后，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)境中的輸出衰減問題，有望在未來得到工業(yè)應用。

上述相關研究于2023年1月以“Electrostatic Vibration Energy Harvester with A Self-Rechargeable Electret”為標題被IEEE Electron Device Letters雜志（JCR Q1，電子器件領域頂刊）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IOT技術以及集成電路的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)在人們的生產生活中得到大規(guī)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)生產中的智能化生產，工業(yè)5.0升級等，越來越多的傳感器被鋪設到人們活動的每個角落。然而，基于電池供電的傳感器，需要頻繁維護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)量進一步增長。針對這一問題，振動能量采集技術應運而生。振動能量采集技術是一種將環(huán)境中振動能轉換成電能的技術，它可以采集環(huán)境中如人體運動、機械振動等振動能，為低功耗傳感設備供電，免去電池維護的煩惱。

為了將振動能轉換成電能，科學家們發(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電容器，當上下極板因環(huán)境振動激勵產生諧振，導致極板距離發(fā)生變化時，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發(fā)生玻璃化，導致預充電電荷的衰減，進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(jù)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，兩個極板會組裝鍵合并徹底封裝起來。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

針對研究背景中的問題，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2 基于MEMS工藝的器件制造流程

器件上極板的主要結構為四根懸臂梁支撐的質量塊，質量塊上集成了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，維護人員可在不損壞器件封裝結構的情況下對器件進行修復；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。當質量塊受到環(huán)境振動激勵上下運動時，通孔陣列可減少質量塊的阻尼力，提高器件的輸出性能。

圖3 器件的實物圖以及通孔、針尖、防撞凸臺的掃描電子顯微鏡圖片

實驗驗證

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（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。可以清晰的看到，相較于器件的出廠狀態(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后，駐極體表面的電壓雖不均勻，但基本可恢復至出廠狀態(tài)。此外，對能量采集器的輸出電壓進行采集，也可說明經(jīng)過修復后，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4 器件在出廠狀態(tài)、電荷衰減狀態(tài)、電荷修復后的對比測試圖

圖5 經(jīng)過電荷修復的能量采集器，可成功點亮LED燈

審核編輯：劉清