基于键合技术的低频高性能压电能量采集器的结构设计与实验研究

发布时间：2020-09-10 19:48

　　伴随着微型机械系统技术(MEMS)、无线传感技术的进步,大批的低功耗器件投入生产,压电能量采集器作为供能元件得到广泛的研究。人类生活生产中常见振动源频率为20 Hz-200 Hz。对于谐振式压电能量采集器,当其频率与振动源频率匹配时,输出性能最佳。现今大多数压电能量采集器具有频率高、输出功率体密度低、结构稳定性差等缺点,限制了其在实际中的应用。本论文通过优化压电能量采集器的设计、制备等过程获得低频高性能的器件,以实现低功耗设备自供电。本论文的主要研究内容如下:1、设计了三种基于键合技术的悬臂梁结构压电能量采集器。通过理论分析、仿真及实验过程,优化器件设计参数。使用弹性更好的磷(铍)青铜作为支撑层材料,并减薄复合梁厚度及额外添加质量块等方式降低器件谐振频率。通过对全覆盖与部分覆盖压电功能层的悬臂梁结构器件的谐振频率、最佳匹配电阻、输出功率等性能进行仿真比较。结果表明部分覆盖压电功能层悬臂梁结构的器件综合性能更优异。2、提出了基于硅片、磷青铜片和PZT压电体材键合工艺的中孔悬臂梁结构压电能量采集器的设计方案。该器件具备低频特性,通过测试,其一阶谐振频率约为35 Hz。当激励加速度达到1.5 g时,其最大开路电压为15.7 V,最大输出功率为216.66μW,此时电流为170μA,最佳匹配电阻为60 kΩ,最大输出功率体密度为1713.58μW/cm3。通过对器件的稳定性测试,结果表明器件结构稳定性良好。3、提出了基于铍青铜片和PZT压电体材键合工艺的全覆盖压电功能层悬臂梁结构压电能量采集器的设计方案。其具有制备工艺简单、输出性能优异的优点。经测试,在激励加速度3 g条件下该器件的一阶谐振频率约为171Hz,最大开路电压为17.8 V,最大输出功率为196.1μW,最佳匹配电阻为60kΩ。且其最大输出功率体密度为18235.26μW/cm~3,性能优异。4、提出了基于铍青铜片和PZT压电体材键合工艺的部分覆盖压电功能层悬臂梁结构压电能量采集器的设计方案。其具有谐振频率低、输出性能优异、结构稳定性优良等优点。经测试,在激励加速度0.7 g条件下该器件的一阶谐振频率约为65 Hz,最大开路电压为29.1 V,最大输出功率为79.4μW,最佳匹配电阻为400 kΩ,最大输出功率体密度为16533.4μW/cm~3。通过对器件的稳定性测试,表明器件结构稳定性良好。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM619
【部分图文】：

示意图,压电,采集系统,能量

上海交通大学硕士学位论文之间[28,29]。因此，为使压电能量采集器可以具备最佳的输出性能表现，振频率设计控制在此范围之内。通过匹配能量采集器与环境振动源的频率器的内阻与采集电路的负载电阻，提高能量转化效率，减少能量传递过程而获得完整高效的振动能量采集系统。时，在我们的环境中也存在着一些高加速度的振动源。例如，汽车发动机度可以达到 1.2 g[30]。在某些航空航天或是军事领域，一些弹道导弹和火其产生加速度可以达到 2 g - 15 g[31,32]。因此，压电能量采集器应具备较，以延长器件的使用寿命并适应更多的振动源环境。

示意图,正压电效应,示意图,压电晶体

上海交通大学硕士学位论文电晶体材料表面没有电荷。当受到外力作用产生极化现象时，压电晶体材料由于形变造成其内部的正负电荷中心发生偏转，电偶极矩发生变化导致压电晶体材料表面出现正负相反的电荷。当改变外力的施加方向时，压电晶体材料表面分布电荷相反。当施加外力去除时，压电晶体材料内部的电偶极矩恢复初始状态，其表面电荷消失。逆压电效应是指压电晶体材料的极化方向上施加电场时，压电晶体材料会产生形变。当改变施加电场方向时，形变方向会反向改变。当撤除施加的电场时，压电晶体材料的形变也会随之消失。

示意图,逆压电效应,示意图,压电晶体

电晶体材料表面没有电荷。当受到外力作用产生极化现象时，压电晶体材料由于形变造成其内部的正负电荷中心发生偏转，电偶极矩发生变化导致压电晶体材料表面出现正负相反的电荷。当改变外力的施加方向时，压电晶体材料表面分布电荷相反。当施加外力去除时，压电晶体材料内部的电偶极矩恢复初始状态，其表面电荷消失。逆压电效应是指压电晶体材料的极化方向上施加电场时，压电晶体材料会产生形变。当改变施加电场方向时，形变方向会反向改变。当撤除施加的电场时，压电晶体材料的形变也会随之消失。图 1-2 正压电效应示意图Fig.1-2 Schematic diagram of direct piezoelectric effect

【参考文献】