【摘要】：隨著微電子工業(yè)集成技術與物聯(lián)網技術水平不斷提升,小微型便攜/穿戴式電子器件得到了前所未有的高速發(fā)展,它們可實現(xiàn)健康監(jiān)測,醫(yī)療,導航,娛樂以及無線通訊等功能,對人們的生產方式和生活理念轉變產生巨大影響。然而,為其供電的化學電池的能量密度卻越來越跟不上電子集成技術的發(fā)展速度,不能滿足其小微型化方向發(fā)展需求。當這些設備電量耗盡時,會給使用者帶來極大不便和安全隱患。特別是在一些嵌入式/植入式的電子器件內部,如心臟起搏器等,更換電池不僅在技術上比較困難,還會給患者的生命安全帶來極大威脅。壓電能量收集技術便是解決這些問題最有效的途徑之一,它指的是將人體運動產生的動能收集起來,通過壓電效應轉變成電能,為便攜式低功耗的電子設備供電,達到延長電池使用壽命甚至是代替電池,實現(xiàn)其自助供電的目的。但是,目前的穿戴式壓電能量收集技術還是存在著輸出性能較低,達不到大部分電子設備功耗需求,以及在輸出性能和舒適性方面無法達到平衡的缺陷。針對以上問題,在本論文中,我們以高性能弛豫鐵電單晶PIN-PMN-PT和PMN-PT為基礎,圍繞人體運動產生的應變能和慣性振動能兩種能量的收集,從壓電材料優(yōu)化,器件模型分析,器件結構設計制備三個方面由淺入深,分別展開了宏觀柔性壓電能量收集器和基于懸臂梁的復合結構剛性諧振壓電能量收集器的設計、制備、表征和應用工作,主要取得了以下幾個方面的研究成果:1)利用交流極化顯著提升了低PT含量的弛豫鐵電單晶壓電性能,并通過老化將單晶介電損耗降低至直流極化水平。在f=30 Hz,Vp=1.2 k V/mm和10 Cycles的最優(yōu)極化條件下,尺寸為5×5×0.5 mm3,切型為001L×110W×1-10t的PMN-26T單晶壓電常數(shù)d33能達到1680 p C/N,比直流極化d33提升34%;介電常數(shù)33Te也從5100提升至6700;介電損耗有所增加,從0.5%增大到1.46%。交流極化后的PMN-26PT樣品性能幾乎達到直流極化的PMN-30PT性能,這大大提升了晶體利用率。老化實驗表明,在60天內,交流極化的單晶的壓電性能幾乎保持不變,介電損耗卻能降低至直流極化水平(0.3-0.6%)。2)提出宏觀柔性壓電能量收集器Macro-Flexible Piezoelectric energy harvester(MF-PEH)的概念,利用體壓電材料PIN-PMN-PT單晶設計制備了結構為ABS柔性基底/PI柔性電路板/PIMNT單晶長薄片陣列的陣列式宏觀柔性壓電能量收集器。該器件在彎曲半徑為R=5.04 cm時,晶片內部應變0.225%,開路電壓達到23.2 V,外推短路電流達到105mA;并且在500 kW的阻抗下,最大輸出瞬時功率高達(15)(13)(17)(20)m W,比已報道性能最好的PMN-PT厚膜柔性壓電能量收集器高出50%。3)利用PIMNT單晶/環(huán)氧2-2復合材料研制了Plastic-Composite-Plastic三明治結構(PCP結構)的宏觀柔性壓電能量收集器,極大地提升了器件的柔性,同時很好地保持了器件的輸出性能。研究結果表明:該器件的可彎曲半徑可達到1.05 cm,為陣列式宏觀壓電能量收集器的1/5;并且,在此彎曲半徑和4.2 Hz的激勵頻率下,器件開路電壓和短路電流分別達到12.9 V和29mA,在400 kW的匹配阻抗下具有0.28 m W/cm3的瞬時功率密度,達到和陣列式壓電能量收集器相當?shù)乃疁�。另�?利用IDE電極代替該結構平行板電極,制備的MF-PEH介電損耗得以大幅度降低(從0.1降低至0.01@1 k Hz),在彎曲半徑為2.2 cm和0.39 Hz的激勵下,器件開路電壓和短路電流分別達到54.2V和6.7mA,最大瞬時功率為105mW,對應的功率密度達到0.64 m W/cm3,相當于同環(huán)氧體積分數(shù)的平行板電極PCP結構MF-PEH的2.3倍。4)結合懸臂梁與雙層錯位式三明治結構各自特點提出了基于剪切模式的懸臂梁低頻驅動復合結構壓電能量收集器(S-CANDLE)。該結構利用懸臂梁吸收振動能,并能將壓力放大后傳遞給雙層錯位式三明治結構,從而對晶片高效實施剪切。理論分析和實驗結果表明,該系統(tǒng)的應力放大因子大于100,并且隨末端質量塊增大而增大。在0.4 g激勵加速度和40.5 Hz激勵頻率下,末端質量塊為13.5g的器件可產生60.8 V電壓和390mW的功率,功率密度達到21.6 m W/cm3,比同尺寸懸臂梁線性振子高出5倍以上。5)結合分段線性懸臂梁與應力放大中空結構各自特點設計碰撞式非線性懸臂梁壓電能量收集器。一方面,該結構在懸臂梁基礎上添加了碰撞阻擋塊,形成分段線性的剛度變化機制,在振動過程中由碰撞導致混沌運動,從而拓展帶寬;另一方面,我們設計的中空結構增大晶片中性面到懸臂梁中性面距離,以此增大輸出。研究結果表明,該器件的帶寬隨著碰撞距離d的減小而發(fā)生拓展,在58.5 Hz和0.3 g的激勵加速度下,碰撞距離d=0.66 mm的器件開路電壓和輸出功率分別達到26.2 V電壓和1.15 m W,帶寬高達7.3 Hz,均比同尺寸懸臂梁高出一個數(shù)量級。6)在應用對象和自助供電系統(tǒng)搭建方面,我們利用宏觀柔性壓電能量收集器收集膝蓋運動能量,成功搭建了為心率表自助供電的穿戴式壓電能量收集系統(tǒng)。研究結果表明:將基于IDE電極的PCP結構MF-PEH貼于膝蓋后側收集人體運動能量時,走動能產生開路電壓20 V,并能瞬時點亮12顆紅色LED燈;跑動能產生開路電壓30 V,并且接入高效能量管理電路LTC3588后,該器件在跑動1 h過程中能將可充電的鋰電池ML414從0.4 V充至2.35 V,充好電的鋰電池能帶動心率表正常工作。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM619
【圖文】：

2017-2023 年中國智能可穿戴設備市場分析及發(fā)展趨勢的 年全球智能可穿戴設備出貨量預計能夠達到 13500 萬臺[化學電池來提供能量。然而，傳統(tǒng)的電池的能量密度已經技術的發(fā)展，越來越不能滿足器件小型化、集成化的發(fā)展像蘋果公司發(fā)布的 Macbook Air 筆記本，電池占電腦整，在一些特殊的場景下，化學電池并不能滿足便攜式低功，像是：A、植入式電子醫(yī)療設備如心臟起搏器，為其供更替，這不僅在技術上比較困難，還會給患者的生命安全軍用的電子設備。龐大體積的軍用電池給士兵造成極大負的破損甚至可能對戰(zhàn)局產生影響；C、野外旅游的民用通能力小，電池使用時間短。電量耗盡可能對旅游者生命安量龐大的無線傳感電子設備所用的化學電池引發(fā)環(huán)境污些問題都使得穿戴式電子設備電量供應方式需要得到革

弛豫鐵電單晶在穿戴式壓電能量收集器中應用的基礎研究器，HDD:硬盤驅動，LIB:鋰離子電池。Fig. 1.1 Relative improvements in computer technology from 1995 to 2015. The intel centraprocessing unit (CPU) is evaluated in terms of the transistors count per integral circuit chip; thspeed of randomaccess memory (RAM) is evaluated in terms of module bandwidth; the Seagahard disk drive (HDD) is evaluated in terms of Gigabits per square inch; the Li-ion battery (LIis evaluated in terms of energy storage density (Wh-1)[7].

本文編號：2736242