低频响应压电—电磁复合式能量采集器设计制造研究

发布时间：2017-08-28 23:30

  本文关键词：低频响应压电—电磁复合式能量采集器设计制造研究

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【摘要】：无线传感网络、埋植监测系统、便携式电子设备及恶劣环境工作微器件的能量供给问题日益凸显,传统的供电电池存在体积大、寿命短、环境适应性差、储能有限、需要经常更换、且更换过程复杂或者有线供电等缺点,已无法满足该类系统的自供电需求。提出一种将振动机械能高效转换为电能的压电-电磁复合式振动能量采集器,对自供电技术的发展具有重要的科学意义。设计PZT基四螺旋梁、溅射Au线圈的质量块、Nd2Fe14B磁体为器件基础结构,当环境激励器件振动时,质量块带动四根螺旋状悬臂梁运动,其上制备的PZT压电薄膜层发生形变,压电层上下表面产生电势差,经上下电极引出收集压电电能;同时质量块带动Au线圈运动,切割Nd2Fe14B磁体的磁感线,通过线圈的磁通量发生变化,产生感应电动势,经线圈两端电极引出收集电磁电能。压电模块结构的设计可以有效降低器件谐振频率,模态分析其固有频率为163.6 Hz,适应于低频振动环境;加之磁感应线圈及Nd2Fe14B磁体的集成设计,为实现低频率响应、高电能输出复合式能量采集器件的研究提供了新思路。通过对压电、电磁发电机理的理论分析研究,选取机电耦合系数高、压电常数高、制造工艺成熟的PZT压电薄膜作为压电材料,剩磁高、矫顽力大、最大磁能积高的Nd2Fe14B作为永磁材料,电阻率较小、稳定性良好的Au作为线圈材料。经仿真分析及理论计算,优化结构尺寸,设计器件制造技术路线及相应加工光刻版。研究不同批次制备的PZT胶体及退火后冷却过程对基片薄膜的影响,采用sol-gel技术制得表面均匀致密、介电常数较高、厚度约为3μm的PZT压电薄膜。采用一系列MEMS微加工工艺,如光刻、刻蚀、薄膜淀积、剥离等,以及实时金相显微镜观察核验、与Nd2Fe14B磁体的微组装,实现了器件集成化制造,并搭建器件性能测试系统进行了初步测试及分析。
【关键词】：MEMS 压电 电磁 PZT 微加工
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1. 绪论9-19
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 能量采集器研究概况10-17
• 1.3 论文研究内容17-19
• 2. 压电-电磁复合式能量采集器设计原理19-27
• 2.1 微型能量采集器压电模块工作原理19-23
• 2.1.1 压电发电机理19
• 2.1.2 压电材料选取19-22
• 2.1.3 动力学振动模型分析22-23
• 2.2 微型能量采集器电磁模块工作原理23-26
• 2.2.1 电磁发电机理23-24
• 2.2.2 永磁材料选取24-25
• 2.2.3 线圈材料选取25-26
• 2.3 本章小结26-27
• 3. 压电-电磁复合式能量采集器整体方案设计27-40
• 3.1 基础结构设计27-32
• 3.1.1 四螺旋梁-单质量块结构设计28-30
• 3.1.2 磁感应线圈设计30-32
• 3.2 微加工工艺设计32-39
• 3.2.1 制造工艺技术路线设计32-33
• 3.2.2 结构掩膜版图设计33-39
• 3.3 本章小结39-40
• 4. 四螺旋梁-单质量块结构微加工制造40-67
• 4.1 PZT压电薄膜的制备40-46
• 4.1.1 PZT压电薄膜制备方法研究40-41
• 4.1.2 溶胶-凝胶法制备PZT压电薄膜41-44
• 4.1.3 PZT压电薄膜性能测试分析44-46
• 4.2 四螺旋梁-单质量块结构MEMS加工工艺研究46-66
• 4.2.1 PZT压电薄膜图形化48-53
• 4.2.2 下电极Pt/Ti层刻蚀53-55
• 4.2.3 上电极Au/Ti及磁感应线圈Au/Ti生长55-56
• 4.2.4 绝缘层Si3N4沉积56-58
• 4.2.5 磁感应线圈端电极引出层Au/Ti生长58-59
• 4.2.6 悬臂梁结构正面刻蚀59-62
• 4.2.7 背面Si基底刻蚀62-64
• 4.2.8 划片64-65
• 4.2.9 取片65-66
• 4.3 本章小结66-67
• 5. 器件的封装及电学测试67-71
• 5.1 器件结构封装67-68
• 5.2 测试系统搭建及初步测试分析68-70
• 5.3 本章小结70-71
• 6. 总结与展望71-73
• 6.1 主要研究结论71-72
• 6.2 主要创新点72
• 6.3 未来工作展望72-73
• 参考文献73-78
• 攻读硕士学位期间所取得的研究成果78-79
• 致谢79-80

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本文编号：750137