固支梁宽频压电振动能量收集器的研制

发布时间：2020-08-02 06:21

【摘要】：随着无线传感网络节点和微型电子设备的广泛应用和深入发展,其对供能技术提出了新的要求和挑战。在现有的能量收集开发中,振动能量因其密度大且机电转换效率高,突出了较为明显的优势而得到了广泛的关注。压电振动能量收集器研制的关键点在于结合各种工况环境下的振源提高其输出,以满足电子产品的需要。目前各种类型的微型压电振动能量收集器研究中,主要是改变结构大小或设计新结构两种方式,因此,固支梁结构作为新型结构形式而逐渐应用在压电振动能量收集器中,其振动特征和输出性能也得到了相应的探讨。本文在现有的压电振动研究基础上,通过改变梁的形状,设计了两种固支梁宽频压电振动能量收集器。ANSYS变形仿真结果表明应力对称分布,同时,利用压电复合梁结构的力学特性导出了固支梁结构的固有频率公式,其理论和仿真的相对误差为1.14%。此外,利用MEMS技术完成了器件的设计和制作,并测试了压电薄膜的性能以及梁结构的静力学特性和输出特性。经XRD测试表明此次制备的PZT薄膜为110主晶相,内部全部形成钙钛矿型结构。LCR测试数据说明,在电压幅值为1V,变化范围为50~10000Hz的频率作用下,压电薄膜的电容波动范围不超过3.5nF,其介电损耗也保持在0.0204~0.0488的范围内,相对介电常数也是在1436~1686之间变化。漏电流性测试结果表明,在电压0~37V,步长0.01V的条件下,漏电流不超过4×10~(-9)A,铁电性能测试结果表明,在0.8μF、1μF、2μF的情况下,测得电滞回线饱和良好,有利于获得压电材料所需要的铁电性能。两种形状的梁的静态变形性能测试分析得出,固支结构的恢复力比对应悬臂结构的要大且速度高,因此也导致了其非线性的现象。在同样的条件下,形状为梯形的固支梁,其变形量大于形状为矩形的固支梁。在加速度1m/s~2的振动条件下对所需要测量的两种梁的非线性进行了实验验证。改变激振强度,对应两种压电振动能量收集器的开路电压输出和工作带宽随着激振强度的增大而增大,且对于开路输出而言,梯形梁的输出比矩形梁更有优势。当施加的振动加速度为1g,结构一的-3dB带宽为105Hz,最大输出为36.96mV,结构二的带宽为118Hz,其最大输出为45.46mV。对结构二的1号梁进行闭环输出性能测试,当加速度为1g时,最大的功率为112.63nW,最佳负载为23KΩ,功率密度为554.55μW/cm~3,大于一般同类型的能量收集器。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM619

【参考文献】