伴隨著微型機械系統(tǒng)技術(MEMS)、無線傳感技術的進步,大批的低功耗器件投入生產(chǎn),壓電能量采集器作為供能元件得到廣泛的研究。人類生活生產(chǎn)中常見振動源頻率為20 Hz-200 Hz。對于諧振式壓電能量采集器,當其頻率與振動源頻率匹配時,輸出性能最佳。現(xiàn)今大多數(shù)壓電能量采集器具有頻率高、輸出功率體密度低、結構穩(wěn)定性差等缺點,限制了其在實際中的應用。本論文通過優(yōu)化壓電能量采集器的設計、制備等過程獲得低頻高性能的器件,以實現(xiàn)低功耗設備自供電。本論文的主要研究內容如下:1、設計了三種基于鍵合技術的懸臂梁結構壓電能量采集器。通過理論分析、仿真及實驗過程,優(yōu)化器件設計參數(shù)。使用彈性更好的磷(鈹)青銅作為支撐層材料,并減薄復合梁厚度及額外添加質量塊等方式降低器件諧振頻率。通過對全覆蓋與部分覆蓋壓電功能層的懸臂梁結構器件的諧振頻率、最佳匹配電阻、輸出功率等性能進行仿真比較。結果表明部分覆蓋壓電功能層懸臂梁結構的器件綜合性能更優(yōu)異。2、提出了基于硅片、磷青銅片和PZT壓電體材鍵合工藝的中孔懸臂梁結構壓電能量采集器的設計方案。該器件具備低頻特性,通過測試,其一階諧振頻率約為35 Hz。當激勵加速度達到1.5 g時,其最大開路電壓為15.7 V,最大輸出功率為216.66μW,此時電流為170μA,最佳匹配電阻為60 kΩ,最大輸出功率體密度為1713.58μW/cm3。通過對器件的穩(wěn)定性測試,結果表明器件結構穩(wěn)定性良好。3、提出了基于鈹青銅片和PZT壓電體材鍵合工藝的全覆蓋壓電功能層懸臂梁結構壓電能量采集器的設計方案。其具有制備工藝簡單、輸出性能優(yōu)異的優(yōu)點。經(jīng)測試,在激勵加速度3 g條件下該器件的一階諧振頻率約為171Hz,最大開路電壓為17.8 V,最大輸出功率為196.1μW,最佳匹配電阻為60kΩ。且其最大輸出功率體密度為18235.26μW/cm~3,性能優(yōu)異。4、提出了基于鈹青銅片和PZT壓電體材鍵合工藝的部分覆蓋壓電功能層懸臂梁結構壓電能量采集器的設計方案。其具有諧振頻率低、輸出性能優(yōu)異、結構穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點。經(jīng)測試,在激勵加速度0.7 g條件下該器件的一階諧振頻率約為65 Hz,最大開路電壓為29.1 V,最大輸出功率為79.4μW,最佳匹配電阻為400 kΩ,最大輸出功率體密度為16533.4μW/cm~3。通過對器件的穩(wěn)定性測試,表明器件結構穩(wěn)定性良好。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM619
【部分圖文】：

上海交通大學碩士學位論文之間[28,29]。因此，為使壓電能量采集器可以具備最佳的輸出性能表現(xiàn)，振頻率設計控制在此范圍之內。通過匹配能量采集器與環(huán)境振動源的頻率器的內阻與采集電路的負載電阻，提高能量轉化效率，減少能量傳遞過程而獲得完整高效的振動能量采集系統(tǒng)。時，在我們的環(huán)境中也存在著一些高加速度的振動源。例如，汽車發(fā)動機度可以達到 1.2 g[30]。在某些航空航天或是軍事領域，一些彈道導彈和火其產(chǎn)生加速度可以達到 2 g - 15 g[31,32]。因此，壓電能量采集器應具備較，以延長器件的使用壽命并適應更多的振動源環(huán)境。

上海交通大學碩士學位論文電晶體材料表面沒有電荷。當受到外力作用產(chǎn)生極化現(xiàn)象時，壓電晶體材料由于形變造成其內部的正負電荷中心發(fā)生偏轉，電偶極矩發(fā)生變化導致壓電晶體材料表面出現(xiàn)正負相反的電荷。當改變外力的施加方向時，壓電晶體材料表面分布電荷相反。當施加外力去除時，壓電晶體材料內部的電偶極矩恢復初始狀態(tài)，其表面電荷消失。逆壓電效應是指壓電晶體材料的極化方向上施加電場時，壓電晶體材料會產(chǎn)生形變。當改變施加電場方向時，形變方向會反向改變。當撤除施加的電場時，壓電晶體材料的形變也會隨之消失。

電晶體材料表面沒有電荷。當受到外力作用產(chǎn)生極化現(xiàn)象時，壓電晶體材料由于形變造成其內部的正負電荷中心發(fā)生偏轉，電偶極矩發(fā)生變化導致壓電晶體材料表面出現(xiàn)正負相反的電荷。當改變外力的施加方向時，壓電晶體材料表面分布電荷相反。當施加外力去除時，壓電晶體材料內部的電偶極矩恢復初始狀態(tài)，其表面電荷消失。逆壓電效應是指壓電晶體材料的極化方向上施加電場時，壓電晶體材料會產(chǎn)生形變。當改變施加電場方向時，形變方向會反向改變。當撤除施加的電場時，壓電晶體材料的形變也會隨之消失。圖 1-2 正壓電效應示意圖Fig.1-2 Schematic diagram of direct piezoelectric effect

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 王淑云;張肖逸;闞君武;張忠華;于麗;程光明;;氣體耦合式寬帶/低頻壓電振動俘能器[J];光學精密工程;2015年02期

2 劉穎;王艷芬;李剛;桑勝波;李朋偉;;MEMS低頻壓電振動能量采集器[J];光學精密工程;2014年09期

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4 王中林;;納米發(fā)電機作為可持續(xù)性電源與有源傳感器的商業(yè)化應用[J];中國科學:化學;2013年06期

本文編號：2816247