新型微米级压电振动能量采集器的制备及测试

发布时间：2017-09-30 21:32

  本文关键词：新型微米级压电振动能量采集器的制备及测试

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【摘要】：随着能源的日益紧张,能量收集技术备受关注,而微型传感器的发展使得能量收集器被广泛研究。其应用领域也呈现多样化,包括监测传感器、嵌入式生物传感器、为机械设备传感器供电、为无人飞行器供电、为建筑的安全系统供电等等。而对于室内及曰常生活、生产而言,振动能量收集技术更具潜力。基于众多学者的研究,出现了电磁式振动能量采集技术、静电式振动能量采集技术、压电式振动能量采集技术。经过对比分析,压电式振动能量采集技术更适于为微电子器件供电,更易于同MEMS工艺集成,从而实现批量生产。通过对压电振动能量采集器研究现状进行分析后得出,现有研究的结构设计、制作工艺等存在几点不足。压电式振动能量懫集器的输出与器件的结构、尺寸和压电材料有着密切联系,而现有的研究的结构设计没有章法可循,缺乏理论基础。尺寸方面,为了追求高输出导致尺寸过大,不适于微电子器件。制作工艺方面,很多都是基于传统机械加工工艺,甚至手工粘连。为了提高输出,同时控制器件的尺寸不至过大,设计了复合梁结构的压电振动能量懫集器。并采用MEMS工艺制备出实体,各层材料及顺序分别为:Si/Si02/Ti/Pt/PZT/Ti/Pt/Si3N4。为了探索适合于MEMS工艺制备压电能量采集器的柔性衬底,分别在0.05nim不锈钢、0.01mm不锈钢、TC4铁合金/Ti/Pt、TC4钛合金/Cu、Si/Si02/Ti/Pt衬底上制备了PZT薄膜,并对试验结果做了检测分析。为了检测该压电能量采集器的特性,对其进行表征和改进,本文分别检测了压电材料的特性和能量采集器的特性。压电材料(PZT薄膜)的性能,包括XRD晶相分析、AFM表面形貌分析、介电性能、铁电性能和压电性能。测试结果显示,本文制备的PZT薄膜,形成了相对其他取向具有更好性能的(110)取向的韩钛矿结构,且结构致密,没有出现明显缺陷。材料的介电常数变化规律正常,最大值为2352,介电损耗最大值仅有0.046;漏电流也非常小,总体小于4x10"^A;铁电性能方面,剩余极化为Pr=37.037 U C/cm2,矫顽电场Ec=27.083KV/cm;压电常数d33=28 pC/N。由于本文制备的能量采集器的尺寸为微米量级,而压电材料非常敏感,外界的振动、噪音、气流等因素对器件的输出影响非常大,从而导致测试结果不具备说服力。现有研究的测试系统仅适合大尺寸的压电振动能量采集器的测试,所以本文搭建了新的测试系统,该系统可以滤除外界干扰。经测试4号副梁的最大输出电压达80.78 mV;功率密度为147.422090 W/cin3。
【关键词】：压电 微米 振动能量采集 MEMS 测试系统
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 研究的背景及意义9
• 1.2 机-电转换方式的选择9-19
• 1.2.4 压电式振动能量采集器的研究现状12-19
• 1.3 本论文的研究意义及主要内容19-20
• 2 压电式振动能量收集技术基础20-31
• 2.1 压电振动能量收集的振源及结构设计20-24
• 2.1.1 压电振动能量收集的振源20-21
• 2.1.2 压电振动能量收集器的结构设计21-24
• 2.2 压电振动能量采集器的测试及性能表征24-25
• 2.3 压电振动能量采集的压电材料25-31
• 2.3.1 压电材料25-27
• 2.3.2 压电材料的性能研究27-31
• 3 复合梁压电式振动能量采集器的设计及制备31-36
• 3.1 结构设计31-32
• 3.2 能量采集器的制作工艺32-36
• 3.2.1 工艺及掩膜板设计32-34
• 3.2.2 绝缘层的选择34-35
• 3.2.3 在柔性衬底上制备PZT薄膜35-36
• 4 单斜相PZT薄膜的性能检测分析36-48
• 4.1 单斜相PZT薄膜晶相验证分析及表面形貌36-40
• 4.2 单斜相PZT薄膜介电性能分析40-43
• 4.3 单斜相PZT薄膜铁电性分析43-47
• 4.3.1 单斜相PZT薄膜漏电流分析43-44
• 4.3.2 单斜相PZT薄膜电滞回线44-47
• 4.5 单斜相PZT薄膜压电性分析47-48
• 5 微米级压电振动能量采集器的性能测试48-52
• 5.1 测量系统48-49
• 5.2 开路电压和谐振频率49-50
• 5.3 闭环输出电压和功率50-52
• 结论52-53
• 参考文献53-58
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况58-59
• 致谢59-60

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 贺学锋;温志渝;温中泉;尚正国;刘海涛;廖海洋;;振动式压电发电机的理论模型与实验[J];纳米技术与精密工程;2007年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 唐刚;基于压电厚膜的MEMS振动能量采集器研究[D];上海交通大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 池望青;无线传感器网络自适应压电能量获取的研究[D];电子科技大学;2010年

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本文编号：950538