基于压电厚膜工艺的升频式微能量采集器研究

发布时间：2020-06-17 13:39

【摘要】：近年来,随着集成电路、微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System,MEMS)等技术的快速发展孕育了新型的无线传感网络。无线传感网络技术军事、智能交通、环境监控、医疗卫生、家居等领域具有广泛的应用前景。但是无线传感节点自身携带的电池供电量有限,采用更换电池的方式来延长节点工作周期成本较高制约了无线传感网络技术的发展。解决节点供电问题的关键是突破传统电池供电的局限,采用有效的能量采集方法实现传感器节点的自供电。本文针对微型压电振动能量收集器输出功率密度低且工作频率相对较高的问题,提出了升频式压电厚膜微能量采集器。结合MEMS工艺,通过PZT压电陶瓷圆片与单晶硅片的金属共晶键合、PZT压电陶瓷的减薄、镀膜工艺、光刻与刻蚀工艺实现压电厚膜悬臂梁的制备。因此采用碰撞升频机制,通过低频悬臂梁吸收周围环境的低频振动,周期性碰撞高频悬臂梁,实现低频向高频振动的转换,提高微能量采集器在低频环境下的能量转换效率。本文的主要研究内容如下:(1)研究学习微能量采集器相关的理论知识。学习压电振子的振动方式,采用d31的压电模式和悬臂梁式的支撑方式,作为微能量采集器的主体结构。理论计算悬臂梁式压电微能量采集器的电压输出与功率输出。研究碰撞式升频机制的原理,分析悬臂梁的初始接触、协同运动和弹性释放的碰撞过程,并建立动力学模型。(2)设计升频式压电厚膜微能量采集器,并对其进行仿真分析。升频式微能量采集器主要由低频蛇形悬臂梁和高频直线型悬臂梁组成。用COMSOL仿真软件分析悬臂梁的尺寸参数对共振频率的影响,最终确定各悬臂梁的尺寸参数。设计的两种低频悬臂梁和一种高频悬臂梁的共振频率方别为44.078Hz、86.023Hz和2010.7Hz。(3)根据微能量采集器结构设计的尺寸参数开发基于压电厚膜的MEMS制备新工艺。在传统的光刻、刻蚀等MEMS工艺基础上,创新性通过圆片级金属共晶键合的方式实现PZT压电陶瓷圆片与单晶硅片的键合。再通过激光切割,机械减薄PZT压电陶瓷,溅射金属电极层和背部光刻刻蚀单晶硅,最终实现升频式压电厚膜微能量采集器的制备。(4)引线封装压电厚膜微能量采集器,根据实验测试需求搭建实验测试平台,并对升频式压电厚膜微能量采集器的输出性能进行实验测试。设计实验测试流程,分为高频压电厚膜悬臂梁的输出性能测试和升频式压电厚膜微能量采集器的输出性能测试。高频压电厚膜悬臂梁的共振频率为1995Hz,在0.5g加速度下的输出电压为286mV,理论上最大平均输出功率为2.694μW,最大功率输出密度是224.5μW/cm3。升频式压电厚膜微能量采集器在装配低频悬臂梁的共振频率为45Hz,高频与低频悬臂梁的装配间距为0.7mm,测试的加速度为0.9g的情况下,输出电压的最大值为341.3mV,理论最大平均输出功率为3.837μW,最大功率输出密度为319.7μW/cm3。本文通过压电厚膜工艺和碰撞式升频机制的结合,解决了微能量采集器在低于50Hz的工作环境下,功率密度较低的问题,有效的提高了基于MEMS工艺的微能量采集器的在功率输出密度。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【图文】：

膜材料有ＡＩＮ、ＰＺＴ邋（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０３，锆钛酸铅）等。逡逑２０１１年美国加州大学伯克利分校设计了一种波纹状结构的Ａ１Ｎ微型压电振动能逡逑量采集器［２２］，如图１－１所示。波纹状结构提高了能量采集器转换效率，且没有增加加逡逑工工艺的复杂性。研制的压电振动能量采集器体积为４００Ｘ５００Ｘ６８０｜ｊｍ３，在２．５６ｋＨｚ逡逑谐振频率，0．２５ｇ加速度载荷激励下，输出电压峰峰值为９２ｍＶ，输出功率为４．９ｎＷ，逡逑功率密度为３６．０３ｎＷ／ｃｍ３。逡逑＇Ｖ逦yU逡逑ｉ逦＊逦＆邋ｃｏ＾ｕｇａｔｅｄｉＫ－ａｍ逡逑图１－１基于ＡＩＮ薄膜的微能量采集器结构示意图逡逑２０１３年加拿大多伦多大学的ＡＵ等人设计制造了基于Ａ１Ｎ薄膜的压电微能量采逡逑集器［２３］，如图１－２所示，其有效体积为５．６ｘ５．６ｘ0．４５ｍｍ３。在５７２Ｈｚ谐振频率、２ｇ加逡逑速度的激励下，输出电压峰峰值为４．１Ｖ，当负载为４９５ｋＱ时，输出功率为３知＼￥，逡逑功率密度大约为２４０９｜ａＷ／ｃｍ３。逡逑Ｂｓｔｉｏｍ逦ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑．．逦}0逦Ｓｆｔｓｍｆｅ逡逑＿逦ｆＴＶＳＳＳ逡逑ｒ－逦：ｔ逡逑＇邋＊＇？＇＇＇７＾邋！ｈ邋？卜逡逑＆逦］逡逑图１－２基于ＡＩＮ微能量采集器结构示意图逡逑与Ａ１Ｎ薄膜相比，ＰＺＴ薄膜具有更高的压电系数，能更有效地将机械动能转换逡逑为电能。２０１１年，瑞士洛桑压电陶瓷研宄院采用溶胶一凝fH法以及ＲＦ溅射的方法制逡逑３逡逑

膜材料有ＡＩＮ、ＰＺＴ邋（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０３，锆钛酸铅）等。逡逑２０１１年美国加州大学伯克利分校设计了一种波纹状结构的Ａ１Ｎ微型压电振动能逡逑量采集器［２２］，如图１－１所示。波纹状结构提高了能量采集器转换效率，且没有增加加逡逑工工艺的复杂性。研制的压电振动能量采集器体积为４００Ｘ５００Ｘ６８０｜ｊｍ３，在２．５６ｋＨｚ逡逑谐振频率，0．２５ｇ加速度载荷激励下，输出电压峰峰值为９２ｍＶ，输出功率为４．９ｎＷ，逡逑功率密度为３６．０３ｎＷ／ｃｍ３。逡逑＇Ｖ逦yU逡逑ｉ逦＊逦＆邋ｃｏ＾ｕｇａｔｅｄｉＫ－ａｍ逡逑图１－１基于ＡＩＮ薄膜的微能量采集器结构示意图逡逑２０１３年加拿大多伦多大学的ＡＵ等人设计制造了基于Ａ１Ｎ薄膜的压电微能量采逡逑集器［２３］，如图１－２所示，其有效体积为５．６ｘ５．６ｘ0．４５ｍｍ３。在５７２Ｈｚ谐振频率、２ｇ加逡逑速度的激励下，输出电压峰峰值为４．１Ｖ，当负载为４９５ｋＱ时，输出功率为３知＼￥，逡逑功率密度大约为２４０９｜ａＷ／ｃｍ３。逡逑Ｂｓｔｉｏｍ逦ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑．．逦}0逦Ｓｆｔｓｍｆｅ逡逑＿逦ｆＴＶＳＳＳ逡逑ｒ－逦：ｔ逡逑＇邋＊＇？＇＇＇７＾邋！ｈ邋？卜逡逑＆逦］逡逑图１－２基于ＡＩＮ微能量采集器结构示意图逡逑与Ａ１Ｎ薄膜相比，ＰＺＴ薄膜具有更高的压电系数，能更有效地将机械动能转换逡逑为电能。２０１１年，瑞士洛桑压电陶瓷研宄院采用溶胶一凝fH法以及ＲＦ溅射的方法制逡逑３逡逑

【参考文献】

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本文编号：2717684