【摘要】：隨著無線傳感網絡節(jié)點和微型電子設備的廣泛應用和深入發(fā)展,其對供能技術提出了新的要求和挑戰(zhàn)。在現有的能量收集開發(fā)中,振動能量因其密度大且機電轉換效率高,突出了較為明顯的優(yōu)勢而得到了廣泛的關注。壓電振動能量收集器研制的關鍵點在于結合各種工況環(huán)境下的振源提高其輸出,以滿足電子產品的需要。目前各種類型的微型壓電振動能量收集器研究中,主要是改變結構大小或設計新結構兩種方式,因此,固支梁結構作為新型結構形式而逐漸應用在壓電振動能量收集器中,其振動特征和輸出性能也得到了相應的探討。本文在現有的壓電振動研究基礎上,通過改變梁的形狀,設計了兩種固支梁寬頻壓電振動能量收集器。ANSYS變形仿真結果表明應力對稱分布,同時,利用壓電復合梁結構的力學特性導出了固支梁結構的固有頻率公式,其理論和仿真的相對誤差為1.14%。此外,利用MEMS技術完成了器件的設計和制作,并測試了壓電薄膜的性能以及梁結構的靜力學特性和輸出特性。經XRD測試表明此次制備的PZT薄膜為110主晶相,內部全部形成鈣鈦礦型結構。LCR測試數據說明,在電壓幅值為1V,變化范圍為50~10000Hz的頻率作用下,壓電薄膜的電容波動范圍不超過3.5nF,其介電損耗也保持在0.0204~0.0488的范圍內,相對介電常數也是在1436~1686之間變化。漏電流性測試結果表明,在電壓0~37V,步長0.01V的條件下,漏電流不超過4×10~(-9)A,鐵電性能測試結果表明,在0.8μF、1μF、2μF的情況下,測得電滯回線飽和良好,有利于獲得壓電材料所需要的鐵電性能。兩種形狀的梁的靜態(tài)變形性能測試分析得出,固支結構的恢復力比對應懸臂結構的要大且速度高,因此也導致了其非線性的現象。在同樣的條件下,形狀為梯形的固支梁,其變形量大于形狀為矩形的固支梁。在加速度1m/s~2的振動條件下對所需要測量的兩種梁的非線性進行了實驗驗證。改變激振強度,對應兩種壓電振動能量收集器的開路電壓輸出和工作帶寬隨著激振強度的增大而增大,且對于開路輸出而言,梯形梁的輸出比矩形梁更有優(yōu)勢。當施加的振動加速度為1g,結構一的-3dB帶寬為105Hz,最大輸出為36.96mV,結構二的帶寬為118Hz,其最大輸出為45.46mV。對結構二的1號梁進行閉環(huán)輸出性能測試,當加速度為1g時,最大的功率為112.63nW,最佳負載為23KΩ,功率密度為554.55μW/cm~3,大于一般同類型的能量收集器。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM619

【參考文獻】

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本文編號：2778274