本文關(guān)鍵詞：低頻響應(yīng)壓電—電磁復(fù)合式能量采集器設(shè)計制造研究

  更多相關(guān)文章： MEMS 壓電 電磁 PZT 微加工

【摘要】：無線傳感網(wǎng)絡(luò)、埋植監(jiān)測系統(tǒng)、便攜式電子設(shè)備及惡劣環(huán)境工作微器件的能量供給問題日益凸顯,傳統(tǒng)的供電電池存在體積大、壽命短、環(huán)境適應(yīng)性差、儲能有限、需要經(jīng)常更換、且更換過程復(fù)雜或者有線供電等缺點,已無法滿足該類系統(tǒng)的自供電需求。提出一種將振動機械能高效轉(zhuǎn)換為電能的壓電-電磁復(fù)合式振動能量采集器,對自供電技術(shù)的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義。設(shè)計PZT基四螺旋梁、濺射Au線圈的質(zhì)量塊、Nd2Fe14B磁體為器件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),當(dāng)環(huán)境激勵器件振動時,質(zhì)量塊帶動四根螺旋狀懸臂梁運動,其上制備的PZT壓電薄膜層發(fā)生形變,壓電層上下表面產(chǎn)生電勢差,經(jīng)上下電極引出收集壓電電能;同時質(zhì)量塊帶動Au線圈運動,切割Nd2Fe14B磁體的磁感線,通過線圈的磁通量發(fā)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,經(jīng)線圈兩端電極引出收集電磁電能。壓電模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以有效降低器件諧振頻率,模態(tài)分析其固有頻率為163.6 Hz,適應(yīng)于低頻振動環(huán)境;加之磁感應(yīng)線圈及Nd2Fe14B磁體的集成設(shè)計,為實現(xiàn)低頻率響應(yīng)、高電能輸出復(fù)合式能量采集器件的研究提供了新思路。通過對壓電、電磁發(fā)電機理的理論分析研究,選取機電耦合系數(shù)高、壓電常數(shù)高、制造工藝成熟的PZT壓電薄膜作為壓電材料,剩磁高、矯頑力大、最大磁能積高的Nd2Fe14B作為永磁材料,電阻率較小、穩(wěn)定性良好的Au作為線圈材料。經(jīng)仿真分析及理論計算,優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸,設(shè)計器件制造技術(shù)路線及相應(yīng)加工光刻版。研究不同批次制備的PZT膠體及退火后冷卻過程對基片薄膜的影響,采用sol-gel技術(shù)制得表面均勻致密、介電常數(shù)較高、厚度約為3μm的PZT壓電薄膜。采用一系列MEMS微加工工藝,如光刻、刻蝕、薄膜淀積、剝離等,以及實時金相顯微鏡觀察核驗、與Nd2Fe14B磁體的微組裝,實現(xiàn)了器件集成化制造,并搭建器件性能測試系統(tǒng)進(jìn)行了初步測試及分析。
【關(guān)鍵詞】：MEMS 壓電 電磁 PZT 微加工
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM619
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1. 緒論9-19
• 1.1 研究背景及意義9-10
• 1.2 能量采集器研究概況10-17
• 1.3 論文研究內(nèi)容17-19
• 2. 壓電-電磁復(fù)合式能量采集器設(shè)計原理19-27
• 2.1 微型能量采集器壓電模塊工作原理19-23
• 2.1.1 壓電發(fā)電機理19
• 2.1.2 壓電材料選取19-22
• 2.1.3 動力學(xué)振動模型分析22-23
• 2.2 微型能量采集器電磁模塊工作原理23-26
• 2.2.1 電磁發(fā)電機理23-24
• 2.2.2 永磁材料選取24-25
• 2.2.3 線圈材料選取25-26
• 2.3 本章小結(jié)26-27
• 3. 壓電-電磁復(fù)合式能量采集器整體方案設(shè)計27-40
• 3.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計27-32
• 3.1.1 四螺旋梁-單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)設(shè)計28-30
• 3.1.2 磁感應(yīng)線圈設(shè)計30-32
• 3.2 微加工工藝設(shè)計32-39
• 3.2.1 制造工藝技術(shù)路線設(shè)計32-33
• 3.2.2 結(jié)構(gòu)掩膜版圖設(shè)計33-39
• 3.3 本章小結(jié)39-40
• 4. 四螺旋梁-單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)微加工制造40-67
• 4.1 PZT壓電薄膜的制備40-46
• 4.1.1 PZT壓電薄膜制備方法研究40-41
• 4.1.2 溶膠-凝膠法制備PZT壓電薄膜41-44
• 4.1.3 PZT壓電薄膜性能測試分析44-46
• 4.2 四螺旋梁-單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)MEMS加工工藝研究46-66
• 4.2.1 PZT壓電薄膜圖形化48-53
• 4.2.2 下電極Pt/Ti層刻蝕53-55
• 4.2.3 上電極Au/Ti及磁感應(yīng)線圈Au/Ti生長55-56
• 4.2.4 絕緣層Si3N4沉積56-58
• 4.2.5 磁感應(yīng)線圈端電極引出層Au/Ti生長58-59
• 4.2.6 懸臂梁結(jié)構(gòu)正面刻蝕59-62
• 4.2.7 背面Si基底刻蝕62-64
• 4.2.8 劃片64-65
• 4.2.9 取片65-66
• 4.3 本章小結(jié)66-67
• 5. 器件的封裝及電學(xué)測試67-71
• 5.1 器件結(jié)構(gòu)封裝67-68
• 5.2 測試系統(tǒng)搭建及初步測試分析68-70
• 5.3 本章小結(jié)70-71
• 6. 總結(jié)與展望71-73
• 6.1 主要研究結(jié)論71-72
• 6.2 主要創(chuàng)新點72
• 6.3 未來工作展望72-73
• 參考文獻(xiàn)73-78
• 攻讀碩士學(xué)位期間所取得的研究成果78-79
• 致謝79-80

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉翔;王章濤;崔祥彥;鄧振波;邱海軍;;液晶陣列四次光刻工藝中光刻膠灰化工藝的研究[J];真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報;2008年04期

2 張洪波;張啟生;;不同光刻膠有效曝光量的探討[J];徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報;2011年01期

3 盧繼奎;谷德君;;噴膠工藝中光刻膠熱應(yīng)力分析[J];機械工程師;2012年02期

4 向東;瞿德剛;牟鵬;王漢;劉楠;;節(jié)省光刻膠的超聲霧化噴涂工藝霧錐特性研究[J];機械工程學(xué)報;2013年07期

5 陶世荃;朱偉利;;江師正型光刻膠全息特性的實驗研究[J];感光材料;1982年01期

6 陸翡翠;;用光刻膠復(fù)制高精度黑鉻度盤工藝[J];光學(xué)儀器;1982年02期

7 蔣廷楠;蔣朝江;;在圓光柵和度盤刻劃中應(yīng)用光刻膠的工藝裝置[J];光學(xué)機械;1982年02期

8 施鶴信;;聚乙烯醇光刻膠的研制[J];航空精密機械工程;1989年04期

9 韓階平,侯豪情,邵逸凱;適用于剝離工藝的光刻膠圖形的制作技術(shù)及其機理討論[J];真空科學(xué)與技術(shù);1994年03期

10 鄧群;;光刻膠采購量精準(zhǔn)預(yù)測模型的研究[J];北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報;2013年04期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 韓婷婷;李波;李玉香;王卿璞;;超臨界CO_2微乳液對高濃度離子注入光刻膠的清洗[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第6分冊）[C];2010年

2 王力元;;193nm光刻膠用光產(chǎn)酸劑研制[A];集成電路配套材料研討會及參展資料匯編[C];2004年

3 許箭;王雙青;楊國強;;新型雙酚A系列光刻膠的極紫外光刻研究[A];第十三屆全國光化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集[C];2013年

4 王力元;王文君;張改蓮;;193nm光刻膠適用硫摀鹽光產(chǎn)酸劑的合成及性質(zhì)[A];全面建設(shè)小康社會：中國科技工作者的歷史責(zé)任——中國科協(xié)2003年學(xué)術(shù)年會論文集（上）[C];2003年

5 穆啟道;;我國超凈高純試劑和光刻膠的現(xiàn)狀與發(fā)展[A];電子專用化學(xué)品高新技術(shù)與市場研討會論文集[C];2004年

6 楊景華;賈少霞;李超波;夏洋;王守國;;常壓射頻介質(zhì)阻擋等離子體去除光刻膠前后的FTIR分析[A];第十六屆全國等離子體科學(xué)技術(shù)會議暨第一屆全國等離子體醫(yī)學(xué)研討會會議摘要集[C];2013年

7 鄒應(yīng)全;;在MEMS加工中光刻膠的應(yīng)用[A];2014第十五屆中國輻射固化年會論文集[C];2014年

8 柯旭;巫文強;王躍川;;用于玻璃刻蝕的新型光刻膠[A];2006年全國高分子材料科學(xué)與工程研討會論文集[C];2006年

9 許箭;陳力;王雙青;楊國強;;含雙酚A骨架結(jié)構(gòu)分子玻璃化合物的制備及其在極紫外光刻中的應(yīng)用[A];中國化學(xué)會第28屆學(xué)術(shù)年會第11分會場摘要集[C];2012年

10 張曄;陳迪;張金婭;朱軍;劉景全;;UV-LIGA中光源波長和曝光量對SU-8光刻膠微結(jié)構(gòu)的影響[A];中國微米、納米技術(shù)第七屆學(xué)術(shù)會年會論文集（一）[C];2005年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 本報記者 趙艷秋;光刻膠行業(yè)：“刻”不容緩[N];中國電子報;2002年

2 記者 李大慶;我第一條百噸級高檔光刻膠生產(chǎn)線投產(chǎn)[N];科技日報;2009年

3 北京科華微電子材料有限公司董事長兼總經(jīng)理 陳昕;多方努力尋求高檔光刻膠突破[N];中國電子報;2009年

4 盈如;永光建立世界級光刻膠供貨商地位[N];電子資訊時報;2005年

5 本報記者 王莉;技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)跑微電子材料[N];蘇州日報;2005年

6 吳堅;緊跟電子信息業(yè)發(fā)展步伐[N];中國化工報;2003年

7 蘇州瑞紅電子化學(xué)品有限公司技術(shù)部部長 顧奇;TFT用感光材料國內(nèi)外技術(shù)懸殊國內(nèi)化學(xué)品企業(yè)努力追趕[N];中國電子報;2009年

8 本文由永光化學(xué)電處技術(shù)發(fā)展部提供;光刻膠在LED工藝上的使用技術(shù)[N];電子資訊時報;2004年

9 ;永光化學(xué)：生產(chǎn)基地漸入佳境 LED光刻膠獨樹一幟[N];中國電子報;2008年

10 北京科華微電子材料有限公司董事長兼總經(jīng)理 陳昕;TFT高性能光刻膠國產(chǎn)化勢在必行[N];中國電子報;2009年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 周新江;基于變量分離理論的光刻成像快速計算方法研究[D];華中科技大學(xué);2015年

2 劉建國;耐高溫紫外正型光刻膠和248nm深紫外光刻膠的研制[D];華中科技大學(xué);2007年

3 唐雄貴;厚膠光學(xué)光刻技術(shù)研究[D];四川大學(xué);2006年

4 魏杰;激光光盤信息記錄光刻膠的合成與感光[D];北京化工大學(xué);1998年

5 李木軍;接近式光刻仿真研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

6 張曉蕾;超聲提高SU-8光刻膠/金屬基底界面結(jié)合強度研究[D];大連理工大學(xué);2015年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 雷國韜;曲表面光刻膠涂覆技術(shù)研究[D];長春理工大學(xué);2012年

2 張放;基于紫外光刻方法構(gòu)建超疏水微納結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電圖案[D];北京化工大學(xué);2015年

3 武磊;ZnS光學(xué)元件離子束拋光技術(shù)研究[D];西安工業(yè)大學(xué);2014年

4 林慶浩;MEMS微型氣體富集器的工藝制備研究[D];電子科技大學(xué);2014年

5 陶燾;碘化銫熒光量子點增強光刻膠光刻效果的研究[D];上海交通大學(xué);2013年

6 陳東紅;低頻響應(yīng)壓電—電磁復(fù)合式能量采集器設(shè)計制造研究[D];中北大學(xué);2016年

7 王瑛;紫外厚膠深光刻技術(shù)研究[D];長春理工大學(xué);2010年

8 朱冬華;三苯胺多枝化合物為引發(fā)劑的光刻膠過程作用的研究與含三苯胺的化合物合成[D];蘇州大學(xué);2010年

9 馮偉;含氟氣體的去光刻膠工藝灰化率提高的研究[D];上海交通大學(xué);2007年

10 張春暉;光刻工藝中的曲面膠厚檢測[D];浙江大學(xué);2010年

，

本文編號：750137