一种雨滴能量收集器及其制备方法与流程

1.本发明属于微机电系统(mems)技术领域，具体涉及一种雨滴能量收集器及其制备方法。背景技术：2.随着无线通信技术和微机电系统的快速发展，无线传感器、mems微传感器和便携式电子设备在智能家居、医疗健康、环境检测、公共安全等领域都得到了广泛的应用。能量的供给情况决定着电子设备充电后能够工作的时长，而对于无法更换电池的应用场景更是直接决定着电子设备的使用寿命。能量收集器能够源源不断地将环境中的能量转化为电能供电子设备使用或者储藏在电池中，大大延长电子设备的工作时间。采用了微加工工艺制作的mems能量收集器比传统的能量收集器具有更高的灵敏度和能量收集效率，更利于在环境中进行能量的收集。当物联网的电子设备工作在阴雨天、雨季或者多阴雨地理位置的户外时，该环境中下落的雨滴具有非常丰富的机械能，可是如今常见的mems能量收集器都无法对雨滴进行能量收集，使得该能量被白白浪费掉了。技术实现要素：3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种雨滴能量收集器及其制备方法的新技术方案。4.根据本发明的第一方面，提供了一种雨滴能量收集器，包括：5.基座；6.结构层和机械能转化组件，所述结构层包括固定端和自由端，所述固定端固定于所述基座的顶部；所述结构层的内部设置有所述机械能转化组件，且所述机械能转化组件由所述固定端延伸至所述自由端；所述机械能转化组件包括上电极板、下电极板和pzt压电薄膜层，所述pzt压电薄膜层设置于所述上电极板和所述下电极板之间，所述上电极板和所述下电极板之间通过所述pzt压电薄膜层电连接；7.当雨滴落在所述结构层的自由端的上表面并使所述自由端发生弯曲时，pzt压电薄膜层弯曲产生电荷，以使得所述上电极板和所述下电极板之间产生电压。8.可选地，所述基座包括体硅层和重掺杂层，所述重掺杂层包括保护层和第一支撑层，所述保护层覆盖所述体硅层的上表面，所述第一支撑层位于所述保护层的中部，且所述第一支撑层的远离所述保护层的一端固定所述结构层。9.可选地，所述结构层包括第一结构层、第二结构层和第三结构层；10.所述第一结构层固定于所述第一支撑层，所述第二结构层设置于所述第一结构层的上方，并在所述第一结构层和所述第二结构层之间连接有第二支撑层；所述第三结构层设置于所述第二结构层的上方，并在所述第二结构层和所述第三结构层之间连接有第三支撑层；11.所述第二结构层在所述第一结构层上的垂直投影覆盖部分所述第一结构层，且所述第一结构层的外边缘与所述第二结构层在所述第一结构层上的投影的外边缘之间形成雨滴滴落区；12.所述第三结构层在所述第二结构层上的垂直投影覆盖部分所述第二结构层，且所述第二结构层的外边缘与所述第三结构层在所述第二结构层上的投影的外边缘之间形成雨滴滴落区；13.所述第三结构的部分上表面形成雨滴滴落区。14.可选地，多个所述第一结构层分别固定于所述第一支撑层，且多个所述第一结构层沿所述第一支撑层的中轴线对称分布；15.多个所述第二结构层分别固定于所述第二支撑层，且多个所述第二结构层沿所述第二支撑层的中轴线对称分布；16.多个所述第三结构层分别固定于所述第三支撑层，且多个所述第三结构层沿所述第三支撑层的中轴线对称分布。17.可选地，第一结构层内的机械能转化组件、第二结构层内的机械能转化组件、第三结构层内的机械能转化组件并联。18.可选地，所述第二支撑层以及所述第三支撑层均包括支撑本体、重掺杂隔离区和重掺杂连接区；19.所述重掺杂隔离区包覆支撑本体的外表面；20.重掺杂连接区设置于所述支撑本体的内部，用于连接相邻的机械能转化组件。21.可选地，所述结构层包括氧化层；22.所述氧化层覆盖所述机械能转化组件的外表面。23.可选地，雨滴能量收集器还包括焊盘；24.所述焊盘设置于所述结构层的上表面，且所述焊盘与所述机械能转化组件电连接。25.根据本发明的第二方面，提供了一种雨滴能量收集器的制备方法，用于制备上述的雨滴能量收集器，包括如下步骤：26.步骤s100，在硅片的上表面进行离子注入形成保护层和第一支撑层；并对硅片的上表面进行氧化形成氧化层；所述氧化层、所述保护层、所述第一支撑层之间形成有牺牲层；27.步骤s200，在氧化层的上表面采用溅射的方式形成下电极层，并对下电极层光刻形成下电极板；28.在下电极的上表面生长形成功能层，对功能层进行光刻形成pzt压电薄膜层；在pzt压电薄膜层的上表面采用溅射的方式形成上电极层，并对上电极层光刻形成上电极板，所述下电极板和所述上电极板之间通过所述pzt压电薄膜层连接；其中，所述下电极板、所述pzt压电薄膜层、所述上电极板构成机械能转化组件；29.步骤s300，对机械能转化组件的上表面和侧面覆盖氧化层；30.步骤s400，去除所述牺牲层，以形成固定于第一支撑层的第一结构层。31.可选地，该雨滴能量收集器的制备方法还包括：32.步骤s500，在第一结构层的上表面形成多晶硅层，对所述多晶硅层进行离子注入形成第二支撑层；33.步骤s600，在所述多晶硅层的上表面形成氧化层，采用步骤s200-s400，以形成固定于第二支撑层的第二结构层；34.步骤s700，在第二结构层的上表面形成多晶硅层，对所述多晶硅层进行离子注入形成第三支撑层；35.步骤s800，在所述多晶硅层的上表面形成氧化层，采用步骤s200-s400，以形成固定于第三支撑层的第三结构层；36.步骤s900，在第三结构层的上表面采用溅射和光刻形成金属焊盘。37.本发明的一个技术效果在于：38.在本技术实施例中，该雨滴能量收集器包括基座、结构层和机械能转化组件，将结构层的固定端固定于基座的顶部，结构层的内部设置有机械能转化组件，且机械能转化组件由固定端延伸至自由端；当雨滴落在结构层的自由端的上表面并使自由端发生弯曲时，pzt压电薄膜层弯曲产生电荷，以使得上电极板和下电极板之间产生电压，从而将雨滴下落的机械能转换成电能。39.因此，该雨滴能量收集器结构设计合理，能够将雨滴下落的机械能有效地转化为电能，从而有利于充分利用雨滴下落的能量，提高了能源的利用率。附图说明40.图1为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的俯视图；41.图2为图1中沿a1-a1方向的剖视图；42.图3为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的硅片的示意图；43.图4为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的第一支撑层的示意图；44.图5为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的第一结构层的氧化层的示意图；45.图6为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的第一结构层的下电极板的示意图；46.图7为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的第一结构层的pzt压电薄膜层的示意图；47.图8为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的第一结构层的上电极板的示意图；48.图9为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的第一结构层的示意图；49.图10为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的第二支撑层的示意图；50.图11为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的第一结构层的下电极板的俯视图；51.图12为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的第一结构层的pzt压电薄膜层和上电极板的俯视图；52.图13为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的的第二结构层的下电极板的俯视图；53.图14为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的第二结构层的pzt压电薄膜层和上电极板的俯视图；54.图15为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的第三结构层的下电极板的俯视图；55.图16为本发明一实施例的一种雨滴能量收集器的第三结构层的pzt压电薄膜层和上电极板的俯视图；56.图中：57.1、体硅层；2、保护层；3、氧化层；4、第一支撑层；5、第一结构层；6、下电极板；7、pzt压电薄膜层；8、上电极板；9、第二支撑层；10、第二结构层；11、第三支撑层；12、第三结构层；131、重掺杂隔离区；132、重掺杂连接区；133、支撑本体；14、焊盘。具体实施方式58.现在将参照附图来详细描述本技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。59.下面将详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。60.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。61.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。62.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。63.如图1至图2所示，根据本发明的第一方面，提供了一种雨滴能量收集器，其用于将雨滴下落的机械能转换成电能，从而充分利用能源。64.具体地，该雨滴能量收集器包括基座、结构层和机械能转化组件，其中，基座用于支撑结构层，机械能转化组件用于实现将雨滴的机械能转化为电能。65.进一步具体地，所述结构层包括固定端和自由端，所述固定端固定于所述基座的顶部；所述结构层的内部设置有所述机械能转化组件，且所述机械能转化组件由所述固定端延伸至所述自由端；所述机械能转化组件包括上电极板8、下电极板6和pzt压电薄膜层7，所述pzt压电薄膜层7设置于所述上电极板8和所述下电极板6之间，所述上电极板8和所述下电极板6之间通过所述pzt压电薄膜层7电连接。其中，结构层的固定端用于固定，自由端作为雨滴能量收集器的悬臂梁结构，当雨滴落在结构层的自由端时，自由端在雨滴的重力的作用下发生形变，从而使得机械能转化组件能够将雨滴的机械能转化为电能。66.当雨滴落在所述结构层的自由端的上表面并使所述自由端发生弯曲时，pzt压电薄膜层7弯曲产生电荷，以使得所述上电极板8和所述下电极板6之间产生电压。也即，在结构层的自由端在雨滴的机械能的作用下发生完全时，机械能转化组件也随结构层发生弯曲，进一步地，pzt压电薄膜层7弯曲产生电荷。67.需要说明的是，机械能转化组件与电能收集组件连接，电能收集组件用于实现对上电极板8、下电极板6的电能的收集。其中，电能收集组件作采用常规技术，只要能够实现电能的收集即可，本技术对此不作赘述。68.在本技术实施例中，该雨滴能量收集器包括基座、结构层和机械能转化组件，将结构层的固定端固定于基座的顶部，结构层的内部设置有机械能转化组件，且机械能转化组件由固定端延伸至自由端；当雨滴落在结构层的自由端的上表面并使自由端发生弯曲时，pzt压电薄膜层7弯曲产生电荷，以使得上电极板8和下电极板6之间产生电压，从而将雨滴下落的机械能转换成电能。69.因此，该雨滴能量收集器结构设计合理，能够将雨滴下落的机械能有效地转化为电能，从而有利于充分利用雨滴下落的能量，提高了能源的利用率。70.可选地，所述基座包括体硅层1和重掺杂层，所述重掺杂层包括保护层2和第一支撑层4，所述保护层2覆盖所述体硅层1的上表面，所述第一支撑层4位于所述保护层2的中部，且所述第一支撑层4的远离所述保护层2的一端固定所述结构层。71.在上述实施方式中，保护层2能够较好地保护基座，实现基座和结构层之间的绝缘，第一支撑层4能够对结构层进行稳定的支撑，同时利于结构层在自由端构成悬臂梁结构，进而实现结构层的自由端在雨滴的机械能的作用下发生弯曲，进而实现雨滴的机械能到电能的转化。72.可选地，所述结构层包括第一结构层5、第二结构层10和第三结构层12；73.所述第一结构层5固定于所述第一支撑层4，所述第二结构层10设置于所述第一结构层5的上方，并在所述第一结构层5和所述第二结构层10之间连接有第二支撑层9；所述第三结构层12设置于所述第二结构层10的上方，并在所述第二结构层10和所述第三结构层12之间连接有第三支撑层11；74.所述第二结构层10在所述第一结构层5上的垂直投影覆盖部分所述第一结构层5，且所述第一结构层5的外边缘与所述第二结构层10在所述第一结构层5上的投影的外边缘之间形成雨滴滴落区；75.所述第三结构层12在所述第二结构层10上的垂直投影覆盖部分所述第二结构层10，且所述第二结构层10的外边缘与所述第三结构层12在所述第二结构层10上的投影的外边缘之间形成雨滴滴落区；76.所述第三结构的部分上表面形成雨滴滴落区。77.在上述实施方式中，该雨滴能量收集器实现了利用阴雨天中下落的雨滴进行能量收集，拓展了能量收集的渠道，并且第一结构层5、第二结构层10、第三结构层12能够有效提升能源收集的效率。而且，通过采用mems微加工工艺，能够有效地缩小雨滴能量收集器的体积和尺寸，有利于实现雨滴能量收集器的小型化，符合用户的使用习惯。78.需要说明的是，雨滴能量收集器的工作原理如下：79.雨滴能量收集器包括第一结构层5、第二结构层10和第三结构层12，第一结构层5、第二结构层10和第三结构层12共同构成间隔设置的三层不同长度的悬臂梁，并且悬臂梁的长度从上往下依次增大。当有大量雨滴下落时会撞击所有的悬臂梁的自由端迫使其发生弯曲，弯曲的悬臂梁进而带动pzt压电薄膜层7弯曲产生电荷，从而使得上电极板8、下电极板6之间产生电压，以将雨滴下落的机械能转换成电能。80.可选地，多个所述第一结构层5分别固定于所述第一支撑层4，且多个所述第一结构层5沿所述第一支撑层4的中轴线对称分布；81.多个所述第二结构层10分别固定于所述第二支撑层9，且多个所述第二结构层10沿所述第二支撑层9的中轴线对称分布；82.多个所述第三结构层12分别固定于所述第三支撑层11，且多个所述第三结构层12沿所述第三支撑层11的中轴线对称分布。83.在上述实施方式中，设计非常合理，大大增加结构层的雨滴滴落区的面积，能够显著提升雨滴下落时的机械能的收集效率。84.可选地，第一结构层5内的机械能转化组件、第二结构层10内的机械能转化组件、第三结构层12内的机械能转化组件并联。85.在上述实施方式中，各个结构层内的机械能转化组件并联，显著增大了雨滴能量收集器输出的电流，显著提高能源的转化效率，使用非常方便。86.可选地，所述第二支撑层9以及所述第三支撑层11均包括支撑本体133、重掺杂隔离区131和重掺杂连接区132；87.所述重掺杂隔离区131包覆支撑本体133的外表面；88.重掺杂连接区132设置于所述支撑本体133的内部，用于连接相邻的机械能转化组件。89.在上述实施方式中，支撑本体133有助于实现对第二结构层10或者第三结构层12的支撑，重掺杂隔离区131能有效防止第二支撑层9和所述第三支撑层11在腐蚀工艺中被腐蚀掉，有利于更好地去掉牺牲层，形成稳定的支撑结构。90.可选地，所述结构层包括氧化层3；91.所述氧化层3覆盖所述机械能转化组件的外表面。92.在上述实施方式中，氧化层3是用于对结构层中的上电极层和下电极层进行电隔离，并能够防止牺牲层腐蚀工艺对结构层的腐蚀破坏，从而能够较好地保护结构层。93.可选地，雨滴能量收集器还包括焊盘14；94.所述焊盘14设置于所述结构层的上表面，且所述焊盘14与所述机械能转化组件电连接。95.在上述实施方式中，焊盘14有助于实现机械能转化组件与其他部件(例如电能收集组件)的电连接，电连接关系比较简单，有利于实现电能的收集。96.如图3至图16所示，根据本发明的第二方面，提供了一种雨滴能量收集器的制备方法，用于制备上述的雨滴能量收集器，包括如下步骤：97.步骤s100，在硅片的上表面进行离子注入形成保护层2和第一支撑层4；并对硅片的上表面进行氧化形成氧化层3，再对该氧化层3进行光刻形成刻蚀窗口；所述氧化层3、所述保护层2、所述第一支撑层4之间形成有牺牲层。98.例如，保护层2和第一支撑层4均采用离子注入的工艺在体硅中重掺杂硼形成。99.步骤s200，在氧化层3的上表面采用溅射的方式形成下电极层，并对下电极层光刻形成下电极板6以及金属连线。100.在下电极的上表面生长形成功能层，对功能层进行光刻形成pzt压电薄膜层7以及用于连接下电极板6的通孔；在pzt压电薄膜层7的上表面采用溅射的方式形成上电极层，并对上电极层光刻形成上电极板8以及金属连线，所述下电极板6和所述上电极板8之间通过所述pzt压电薄膜层7连接；其中，所述下电极板6、所述pzt压电薄膜层7、所述上电极板8构成机械能转化组件。101.需要说明的是，下电极层通过光刻形成下电极板6和金属连接，上电极层通过光刻形成上电极板8和金属连接，从而有助于快速实现下电极板6与pzt压电薄膜层7之间以及pzt压电薄膜层7与上电极板8之间的电连接，简化了加工工艺。102.可选地，上电极层以及下电极层的材质可以为al、ti和pt中的至少一种，有助于保证在上电极板8和下电极板6之间产生稳定的电压。103.步骤s300，对机械能转化组件的上表面和侧面覆盖氧化层3。其中，氧化层3采用cvd(化学气相沉积)的方式形成在机械能转化组件的上表面和侧面；接着，对机械能转化组件的上表面的氧化层3进行光刻以形成用于连接第一结构层5的上电极板8和下电极板6的通孔。104.步骤s400，去除所述牺牲层，以形成固定于第一支撑层4的第一结构层5。105.在上述实施方式中，该雨滴能量收集器的制备方法，设计合理，制备的雨滴能量收集器能够将雨滴下落的机械能有效地转化为电能，从而有利于充分利用雨滴下落的能量，提高了能源的利用率。106.可选地，该雨滴能量收集器的制备方法还包括：107.步骤s500，在第一结构层5的上表面形成多晶硅层，对所述多晶硅层进行离子注入形成第二支撑层9。在第二结构层10形成以后，多余的多晶硅层也即牺牲层可以通过腐蚀的方式去除。108.例如，对多晶硅层进行离子注入形成第二支撑层9中的重掺杂隔离区131和重掺杂连接区132。类似地，对多晶硅层进行离子注入形成第三支撑层11中的重掺杂隔离区131和重掺杂连接区132。109.步骤s600，在所述多晶硅层的上表面形成氧化层3，采用步骤s200-s400，以形成固定于第二支撑层9的第二结构层10。110.步骤s700，在第二结构层10的上表面形成多晶硅层，对所述多晶硅层进行离子注入形成第三支撑层11。在第三结构层12形成以后，多余的多晶硅层也即牺牲层可以通过腐蚀的方式去除。111.步骤s800，在所述多晶硅层的上表面形成氧化层3，采用步骤s200-s400，以形成固定于第三支撑层11的第三结构层12。步骤s900，在第三结构层12的上表面采用溅射和光刻形成金属焊盘14。112.例如，第二支撑层9和第三支撑层11均是通过cvd(化学气相沉积)多晶硅后腐蚀掉牺牲层形成的，并且重掺杂隔离区131能防止第二支撑层9和第三支撑层11在腐蚀工艺中被腐蚀掉。113.在另一个实施方式中，用于支撑第一结构层5的牺牲层、用于支撑第二结构层10的牺牲层、以及用于支撑第三结构层12的牺牲层均可在雨滴能量收集器的整体结构形成后再释放。也即。第一结构层5、第二结构层10、第三结构层12形成以后，采用腐蚀工艺腐蚀相应的牺牲层。114.在上述实施方式中，第一结构层5、第二结构层10、第三结构层12能够有效提升能源收集的效率。而且，通过采用mems微加工工艺，能够有效地缩小雨滴能量收集器的体积和尺寸，有利于实现雨滴能量收集器的小型化，符合用户的使用习惯。115.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。