基于MEMS技术ZnO压电薄膜能量收集器研究

发布时间：2023-11-04 15:07

　　针对改善能量收集器在多频点中的应用,本文基于MEMS技术设计了ZnO压电薄膜能量收集器,该结构由具有质量块的硅悬臂梁阵列和压电结构两部分组成。为实现多频点能量收集,设计由三个梁宽和梁厚相同、梁长不同的悬臂梁作为振动信号拾取的弹性元件,采用Pt/Ti底电极、Li掺杂ZnO薄膜压电层和Al顶电极构成的三层膜作为压电结构,实现振动能与电能的转换。在感受外界环境一定振动时,该能量收集器上、下电极产生电信号,可实现一定振动频率下能量收集。为有效提高能量收集器性能,采用射频磁控溅射法制备Li掺杂ZnO压电薄膜,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱分析(XPS)、原子力显微镜(AFM)、压电响应力显微镜(PFM)等研究ZnO薄膜优化的制备工艺条件,结果表明5wt%Li掺杂ZnO薄膜具有良好的c轴择优取向且压电系数d₃₃约为9.86 pm/V,电阻率约为45.22 kΩ·cm。采用ANSYS、COMSOL软件构建能量收集器仿真模型,分析能量收集器静态力学特性和压电特性,并利用L-Edit软件完成芯片版图设计。在此基础上,完成ZnO压电薄膜能量收集器...

【文章页数】：123 页

【学位级别】：硕士

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中文摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究的目的和意义
    1.2 压电式能量收集器研究现状
        1.2.1 ZnO压电薄膜能量收集器研究现状
        1.2.2 PZT压电薄膜能量收集器研究现状
        1.2.3 AlN压电薄膜能量收集器研究现状
    1.3 ZnO压电薄膜研究现状
    1.4 论文主要研究内容
第2章 ZnO压电薄膜的制备
    2.1 ZnO压电薄膜的制备方法
    2.2 Li掺杂对Zn O薄膜微结构特性的影响
        2.2.1 XRD分析
        2.2.2 XPS分析
        2.2.3 SEM分析
    2.3 Li掺杂对Zn O薄膜压电特性的影响
        2.3.1 PFM分析
        2.3.2 电阻率分析
    2.4 退火温度对Zn O薄膜微结构特性的影响
        2.4.1 XRD分析
        2.4.2 SEM分析
        2.4.3 AFM分析
    2.5 本章小结
第3章 ZnO压电薄膜能量收集器基本结构与工作原理
    3.1 ZnO压电薄膜能量收集器基本结构
    3.2 ZnO压电薄膜能量收集器工作原理
        3.2.1 压电效应
        3.2.2 MEMS压电式振动能量收集器常见的振动模式
        3.2.3 ZnO压电薄膜能量收集器工作原理
    3.3 本章小结
第4章 ZnO压电薄膜能量收集器的仿真、设计与制作
    4.1 能量收集器静态力学特性仿真
        4.1.1 能量收集器静态力学仿真模型构建
        4.1.2 悬臂梁长度对静态力学特性的影响
        4.1.3 悬臂梁厚度对静态力学特性的影响
        4.1.4 能量收集器静态力学特性仿真
    4.2 能量收集器压电特性仿真
        4.2.1 能量收集器压电仿真模型构建
        4.2.2 能量收集器频率响应特性仿真
        4.2.3 能量收集器输出负载特性仿真
    4.3 能量收集器版图设计
    4.4 能量收集器制作工艺
    4.5 本章小结
第5章 实验结果与讨论
    5.1 能量收集器测试系统搭建
    5.2 能量收集器频率响应特性测试
        5.2.1 压电层电极并联输出频响特性
        5.2.2 压电层电极串联输出频响特性
    5.3 能量收集器输出特性与环境振动加速度的关系
    5.4 能量收集器输出负载特性测试
        5.4.1 压电层电极并联输出负载特性
        5.4.2 压电层电极串联输出负载特性
    5.5 本章小结
结论
参考文献
致谢
攻读学位期间发表论文
攻读学位期间承担科研项目
攻读学位期间申请专利
攻读学位期间大赛获奖



本文编号：3860541