弛豫铁电单晶在穿戴式压电能量收集器中应用的基础研究

发布时间：2020-07-01 03:39

【摘要】：随着微电子工业集成技术与物联网技术水平不断提升,小微型便携/穿戴式电子器件得到了前所未有的高速发展,它们可实现健康监测,医疗,导航,娱乐以及无线通讯等功能,对人们的生产方式和生活理念转变产生巨大影响。然而,为其供电的化学电池的能量密度却越来越跟不上电子集成技术的发展速度,不能满足其小微型化方向发展需求。当这些设备电量耗尽时,会给使用者带来极大不便和安全隐患。特别是在一些嵌入式/植入式的电子器件内部,如心脏起搏器等,更换电池不仅在技术上比较困难,还会给患者的生命安全带来极大威胁。压电能量收集技术便是解决这些问题最有效的途径之一,它指的是将人体运动产生的动能收集起来,通过压电效应转变成电能,为便携式低功耗的电子设备供电,达到延长电池使用寿命甚至是代替电池,实现其自助供电的目的。但是,目前的穿戴式压电能量收集技术还是存在着输出性能较低,达不到大部分电子设备功耗需求,以及在输出性能和舒适性方面无法达到平衡的缺陷。针对以上问题,在本论文中,我们以高性能弛豫铁电单晶PIN-PMN-PT和PMN-PT为基础,围绕人体运动产生的应变能和惯性振动能两种能量的收集,从压电材料优化,器件模型分析,器件结构设计制备三个方面由浅入深,分别展开了宏观柔性压电能量收集器和基于悬臂梁的复合结构刚性谐振压电能量收集器的设计、制备、表征和应用工作,主要取得了以下几个方面的研究成果:1)利用交流极化显著提升了低PT含量的弛豫铁电单晶压电性能,并通过老化将单晶介电损耗降低至直流极化水平。在f=30 Hz,Vp=1.2 k V/mm和10 Cycles的最优极化条件下,尺寸为5×5×0.5 mm3,切型为001L×110W×1-10t的PMN-26T单晶压电常数d33能达到1680 p C/N,比直流极化d33提升34%;介电常数33Te也从5100提升至6700;介电损耗有所增加,从0.5%增大到1.46%。交流极化后的PMN-26PT样品性能几乎达到直流极化的PMN-30PT性能,这大大提升了晶体利用率。老化实验表明,在60天内,交流极化的单晶的压电性能几乎保持不变,介电损耗却能降低至直流极化水平(0.3-0.6%)。2)提出宏观柔性压电能量收集器Macro-Flexible Piezoelectric energy harvester(MF-PEH)的概念,利用体压电材料PIN-PMN-PT单晶设计制备了结构为ABS柔性基底/PI柔性电路板/PIMNT单晶长薄片阵列的阵列式宏观柔性压电能量收集器。该器件在弯曲半径为R=5.04 cm时,晶片内部应变0.225%,开路电压达到23.2 V,外推短路电流达到105mA;并且在500 kW的阻抗下,最大输出瞬时功率高达(15)(13)(17)(20)m W,比已报道性能最好的PMN-PT厚膜柔性压电能量收集器高出50%。3)利用PIMNT单晶/环氧2-2复合材料研制了Plastic-Composite-Plastic三明治结构(PCP结构)的宏观柔性压电能量收集器,极大地提升了器件的柔性,同时很好地保持了器件的输出性能。研究结果表明:该器件的可弯曲半径可达到1.05 cm,为阵列式宏观压电能量收集器的1/5;并且,在此弯曲半径和4.2 Hz的激励频率下,器件开路电压和短路电流分别达到12.9 V和29mA,在400 kW的匹配阻抗下具有0.28 m W/cm3的瞬时功率密度,达到和阵列式压电能量收集器相当的水准。另外,利用IDE电极代替该结构平行板电极,制备的MF-PEH介电损耗得以大幅度降低(从0.1降低至0.01@1 k Hz),在弯曲半径为2.2 cm和0.39 Hz的激励下,器件开路电压和短路电流分别达到54.2V和6.7mA,最大瞬时功率为105mW,对应的功率密度达到0.64 m W/cm3,相当于同环氧体积分数的平行板电极PCP结构MF-PEH的2.3倍。4)结合悬臂梁与双层错位式三明治结构各自特点提出了基于剪切模式的悬臂梁低频驱动复合结构压电能量收集器(S-CANDLE)。该结构利用悬臂梁吸收振动能,并能将压力放大后传递给双层错位式三明治结构,从而对晶片高效实施剪切。理论分析和实验结果表明,该系统的应力放大因子大于100,并且随末端质量块增大而增大。在0.4 g激励加速度和40.5 Hz激励频率下,末端质量块为13.5g的器件可产生60.8 V电压和390mW的功率,功率密度达到21.6 m W/cm3,比同尺寸悬臂梁线性振子高出5倍以上。5)结合分段线性悬臂梁与应力放大中空结构各自特点设计碰撞式非线性悬臂梁压电能量收集器。一方面,该结构在悬臂梁基础上添加了碰撞阻挡块,形成分段线性的刚度变化机制,在振动过程中由碰撞导致混沌运动,从而拓展带宽;另一方面,我们设计的中空结构增大晶片中性面到悬臂梁中性面距离,以此增大输出。研究结果表明,该器件的带宽随着碰撞距离d的减小而发生拓展,在58.5 Hz和0.3 g的激励加速度下,碰撞距离d=0.66 mm的器件开路电压和输出功率分别达到26.2 V电压和1.15 m W,带宽高达7.3 Hz,均比同尺寸悬臂梁高出一个数量级。6)在应用对象和自助供电系统搭建方面,我们利用宏观柔性压电能量收集器收集膝盖运动能量,成功搭建了为心率表自助供电的穿戴式压电能量收集系统。研究结果表明:将基于IDE电极的PCP结构MF-PEH贴于膝盖后侧收集人体运动能量时,走动能产生开路电压20 V,并能瞬时点亮12颗红色LED灯;跑动能产生开路电压30 V,并且接入高效能量管理电路LTC3588后,该器件在跑动1 h过程中能将可充电的锂电池ML414从0.4 V充至2.35 V,充好电的锂电池能带动心率表正常工作。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM619
【图文】：

2017-2023 年中国智能可穿戴设备市场分析及发展趋势的 年全球智能可穿戴设备出货量预计能够达到 13500 万台[化学电池来提供能量。然而，传统的电池的能量密度已经技术的发展，越来越不能满足器件小型化、集成化的发展像苹果公司发布的 Macbook Air 笔记本，电池占电脑整，在一些特殊的场景下，化学电池并不能满足便携式低功，像是：A、植入式电子医疗设备如心脏起搏器，为其供更替，这不仅在技术上比较困难，还会给患者的生命安全军用的电子设备。庞大体积的军用电池给士兵造成极大负的破损甚至可能对战局产生影响；C、野外旅游的民用通能力小，电池使用时间短。电量耗尽可能对旅游者生命安量庞大的无线传感电子设备所用的化学电池引发环境污些问题都使得穿戴式电子设备电量供应方式需要得到革

弛豫铁电单晶在穿戴式压电能量收集器中应用的基础研究器，HDD:硬盘驱动，LIB:锂离子电池。Fig. 1.1 Relative improvements in computer technology from 1995 to 2015. The intel centraprocessing unit (CPU) is evaluated in terms of the transistors count per integral circuit chip; thspeed of randomaccess memory (RAM) is evaluated in terms of module bandwidth; the Seagahard disk drive (HDD) is evaluated in terms of Gigabits per square inch; the Li-ion battery (LIis evaluated in terms of energy storage density (Wh-1)[7].

本文编号：2736242