一种自产热装置及自产热装置的制作方法

摘要

本发明涉及一种自产热装置及自产热装置的制作方法。该自产热装置包括能量拾取器(2000)和发热装置(3000)；能量拾取器(2000)，用来拾取使用对象在运动过程中的动能；发热装置(3000)，与能量拾取器(2000)通过金属引线连接，用于根据动能产生热量。本发明通过拾取使用对象自身的动能供给发热装置产生热量，具有自发热的特点；采用MEMS方法制备，具有小尺寸、能够批量生产的优点，有利于批量应用。

说明书

技术领域

本发明涉及可穿戴以及微能源产生和利用领域，特别涉及一种自产热装置及自产热装置的制作方法。

背景技术

人类随着年龄的增长，器官老化，关节疾病的发病率极高，像关节炎、老寒腿等的发病，主要源于受凉。这些疾病除了就医解决，在早期的预防其实更为关键。在日常生活中，常采用保暖内衣和护膝等衣物器具对人体的关键部位进行保暖驱寒处理，这种方法主要依靠人体体温，老年人活力衰退、身体热量不高，在寒冷天气下效果不好。

近年来，随着集成电路、MEMS工艺的快速发展，低功耗电子设备得到了广泛应用。基于环境能量获取与转换的微能源技术能够持续不断地收集环境中的能量并转化为电能，具有体积小、寿命长、成本低等优点，是解决微电子器件与系统电源问题的有效途径。由于振动能在环境中广泛存在，因此基于振动能量获取与转换的微型能量收集器是微能源领域的热点。微型压电能量收集器具有结构简单、能量转换效率高等优点，在国内外受到了广泛关注。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种自产热装置及自产热装置的制作方法。将该模块安装于使用对象衣物的某些部位，可以拾取使用对象的运动动能并转化为模块中薄膜发热的热能，实现衣物加热的效果。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种自产热装置，该自产热装置包括：能量拾取器和发热装置；能量拾取器，用来拾取使用对象在运动过程中的动能；发热装置，与能量拾取器通过金属引线连接，用于根据动能产生热量。

优选地，能量拾取器包括悬臂梁支撑的质量块和压电器件：压电器件，位于玻璃衬底之上，利用压电效应将动能转化成电能；悬臂梁支撑的质量块，用于感知使用对象的运动并产生位移碰撞压电器件。

优选地，压电器件为三明治结构，压电器件包括第一电极、压电层和第二电极。

优选地，悬臂梁支撑的质量块包括：支撑结构、悬臂梁和质量块；质量块与支撑结构通过悬臂梁连接；质量块用于拾取使用对象的动能；质量块依靠支撑结构和悬臂梁产生振动，触碰压电器件产生压电效应。

优选地，悬臂梁支撑的质量块的材料为硅。

优选地，悬臂梁支撑的质量块采用氢氧化钾湿法腐蚀和深反应离子刻蚀干法刻蚀得到。

优选地，发热装置位于玻璃衬底之上，包括金电极和铟锡氧化物薄膜；金电极设置在铟锡氧化物薄膜和玻璃衬底之间。

另一方面，本发明提出了一种自产热装置的制作方法，该包括自产热装置的制作方法包括：在清洗后的硅片上热生长氧化硅，并采用沉积氮化硅；分别腐蚀氮化硅和氧化硅；由氮化硅和氧化硅保护支撑架，及氧化硅保护质量块，并对硅片刻蚀；由氧化硅保护支撑架，并分别刻蚀悬臂梁和质量块，制备悬臂梁支撑质量块；由阴影掩膜版实现共晶键合的金图形，完成悬臂梁支撑的质量块的制备；清洗玻璃衬底；溅射形成金薄膜，并对金薄膜光刻、腐蚀形成压电器件的第一电极和发热装置的电极；溅射形成氧化锌薄膜，并腐蚀氧化锌薄膜形成压电器件的压电层；通过剥离工艺制备发热装置的铟锡氧化物薄膜；利用剥离工艺制备压电器件的第二电极和共晶键合的金图形；通过共晶键合的方式将玻璃衬底和支撑架固定在一起。

本发明通过拾取使用对象自身的动能供给发热装置产生热量，具有自发热的特点；采用MEMS方法制备，具有小尺寸、能够批量生产的优点，有利于批量应用。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的一种自产热装置的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的一种自产热装置的制作方法流程图；

图3为本发明的实施例提供的一种自产热装置的一个具体实施例。

其中：

1000-自产热装置、2000-MEMS能量拾取器、2001-支撑结构、2002-悬臂梁、2003-质量块、2004-第一电极、2005-第二电极、2006-压电层、2007-衬底、3000-发热装置、3001-铟锡氧化物薄膜、3002-电极、4000-悬臂梁支撑的质量块、4001-氮化硅、4002-氧化硅、4003-硅片、5000-压电器件、6000-共晶键合的金、7000-衣服、8000-衣服结构、8001-衣服内衬、8002-柔性衬底、8003-模块阵列、8004-保温材料、8005-衣服外表。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明的实施例提供的一种自产热装置结构示意图。如图1所示，

能量拾取器2000是一种压电式能量拾取器，能量拾取器2000，用来拾取使用对象在运动过程中的动能；发热装置3000，与能量拾取器2000通过金属引线连接，用于根据动能产生热量。

可选的，能量拾取器2000可以为微机电系统(MEMS)能量拾取器；发热装置3000为铟锡氧化物(ITO)发热装置。

发热装置3000位于玻璃衬底2007之上，发热装置3000包括电极3002和铟锡氧化物薄膜3001；电极3002设置在铟锡氧化物薄膜3001和玻璃衬底2007之间；电极3002的材料为金，也可以被其他的导电的材料替代，在此不赘述。

具体地，MEMS能量拾取器2000包括2个压电器件5000和质量块4000。

压电器件5000，位于玻璃衬底2007之上，利用压电效应将动能转化成电能；悬臂梁支撑的质量块4000，用于感知使用对象的运动并产生位移碰撞压电器件。

具体地，压电器件5000为三明治结构，压电器件5000包括第一电极2004、氧化锌压电层2006和第二电极2005。第一电极2004和第二电极2005的材料为金材料。

压电器件5000和发热装置3000位于同一块玻璃衬底2007之上，玻璃衬底2007经共晶键合技术固接在悬臂梁支撑的质量块4000两侧。

具体地，悬臂梁支撑的质量块4000包括：支撑结构2001、4个悬臂梁2002和质量块2003；质量块2003与支撑结构2001通过悬臂梁2002连接；质量块2003用于拾取使用对象的动能；质量块2003依靠支撑结构2001和悬臂梁2002产生振动，触碰压电器件5000产生压电效应。悬臂梁支撑的质量块4000的材料为硅。

悬臂梁支撑的质量块4000的制备材料可以是硅，可以通过氢氧化钾(KOH)湿法腐蚀制备，也可以采用DRIE刻蚀制备，具体制备方法可以根据制备条件选择，在此不赘述。

自产热装置1000的工作原理为：自产热装置1000工作时，自产热装置1000通过质量块2003拾取使用对象的动能，质量块2003拾取动能之后依靠连接支撑结构2001和质量块2003的悬臂梁2002产生振动，质量块2003的振动会碰触压电器件5000引发压电效应，压电效应产生的电能会通过第一电极2004和第二电极2005传递到电极3002使铟锡氧化物薄膜3001发热。

图2为本发明的实施例提供的一种自产热装置的制作方法流程图。如图2所示，该自产热装置的制备方法的步骤包括：

(a)厚度为525um、<100>晶向、N型、4寸硅片4003经过RCA标准清洗之后，在1000℃下生长5个小时形成厚度为1um的氧化硅4002，并采用CVD(Chemical Vapor Deposition化学气沉积法)沉积厚度为0.1um的氮化硅4001；

(b)实施对准光刻，采用155℃的热磷酸腐蚀氮化硅4001，然后采用氢氟酸腐蚀氧化硅4002。

(c)以氮化硅4001薄膜、氧化硅4002薄膜保护支撑结构2001，以氧化硅4002薄膜保护质量块2003，利用深反应离子刻蚀(Deep Reactivelon Etching，DRIE)硅片4003。

(d)以氧化硅4002薄膜保护支撑结构2001，用DRIE同时刻蚀悬臂梁2002和质量块2003。

(e)利用射频磁控溅射方法和阴影掩膜版(Shadow Mask)，在功率为150W、氩气流量为80sccm、工作气压为0.8Pa、常温的方法条件下溅射30分钟纯度为99.999％的金靶，形成厚度为0.2um的共晶键合的金6000，完成悬臂梁支撑的质量块4000的制备。

(f)在常温下，利用丙酮、无水乙醇各超声清洗玻璃衬底2007三分钟，再用去离子水清洗干净；

(g)利用射频磁控溅射方法，在功率为150W、氩气流量为80sccm、工作气压为0.8Pa、常温方法条件下溅射30分钟纯度为99.999％的金靶，形成厚度为0.2um的金薄膜，对金薄膜进行光刻、腐蚀形成压电器件5000的第二电极2004和发热装置3000的电极3002。

(h)利用射频磁控溅射方法，在功率为150W、氧气流量为20sccm、氩气流量为80sccm、工作气压为0.8Pa、常温的方法条件下溅射30分钟的锌靶，形成厚度为0.15um的氧化锌薄膜，通过套刻、腐蚀氧化锌薄膜形成压电器件5000的压电层2006。

(i)铟锡氧化物(ITO)薄膜可以采用射频磁控溅射的方法制备，通过优化制备工艺中溅射气压、衬底温度、射频功率等参数可以调整它的电阻率。将ITO薄膜进行结构设计并通以电流，能够实现均匀加热。

采用光刻胶作牺牲层，利用射频磁控反应溅射方法，在功率为80W、工作气压为0.2Pa、氩气流量为80sccm、常温的方法条件下溅射30分钟的ITO靶，形成厚度为0.1um的ITO薄膜，通过剥离液将牺牲层的光刻胶去除，形成发热装置3000的ITO薄膜3001。

(j)利用光刻胶作牺牲层，利用射频磁控溅射方法，在150W的功率、80sccm的氩气流量、0.8Pa的工作气压、常温下方法条件下溅射30分钟纯度为99.999％的金靶，形成厚度为0.2um的金薄膜，通过剥离液将牺牲层的光刻胶去除，形成压电器件5000的第一电极2005和共晶键合的金6000图形。

(k)利用共晶键的技术，在400℃的温度和2000N的压力方法条件下将玻璃衬底2007和支撑结构2001固定在一起。

图3为本发明的实施例提供的一种自产热装置的一个具体实施例。如图3所示，使用时，将制备完成的自产热装置1000安装在在特殊形状的柔性衬底8002上得到模块阵列8003，在模块阵列8003覆盖一层保温材料8004，柔性衬底8002接触衣服内衬8001、保温材料接触衣服外表8005，放置在衣服的肩、肘、膝盖等关节部位。

当使用自产热装置1000的对象本身有运动时，自产热装置1000通过质量块2003拾取使用该模块的对象动能，质量块2003拾取动能之后依靠连接支撑结构2001和质量块2003的悬臂梁2002产生振动，质量块2003的振动会碰触压电器件5000引发压电效应，压电效应产生的电能会通过第一电极2004和第二电极2005传递到电极3002使ITO薄膜3001发热，保温材料8004会使保温效果长久。

本发明通过拾取使用对象自身的动能供给发热装置产生热量，具有自发热的特点；采用MEMS方法制备，具有小尺寸、能够批量生产的优点，有利于批量应用。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。