【摘要】：微型電子器件通常作為傳感節(jié)點,來構(gòu)成龐大的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò),并承擔(dān)信息監(jiān)測、數(shù)據(jù)反饋工作。對這些傳感節(jié)點穩(wěn)定地供能,是一個極具挑戰(zhàn)的技術(shù)難點問題。為解決這一問題,可從電子器件的服役環(huán)境中直接獲得電能的俘能技術(shù)受到了人們越來越多的重視。而傳統(tǒng)的俘能器大多基于壓電效應(yīng),但壓電效應(yīng)會隨著材料尺度下降而大大減弱。因此,基于撓電效應(yīng)的俘能技術(shù)成為了新的探索方向。對此,本文基于Euler-Bernoulli梁理論,對外電場作用下納米薄膜/基底結(jié)構(gòu)的褶皺行為進(jìn)行理論分析和數(shù)值計算,著重研究撓電效應(yīng)對結(jié)構(gòu)力電耦合特性的作用機(jī)理,并探討基底預(yù)應(yīng)變、電壓、厚度比等參數(shù)對于褶皺發(fā)生和褶皺變形的影響。然后,基于可控褶皺變形結(jié)構(gòu)提出新型撓電俘能器模型,并采用電極重構(gòu)方法進(jìn)一步提高撓電俘能器的能量轉(zhuǎn)化效率,再通過參數(shù)分析來探討撓電俘能器的俘能潛力。最后,將本文提出撓電俘能器的俘能效率與文獻(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行綜合對比,凸顯了當(dāng)前撓電俘能器的性能。結(jié)果表明,對于納米薄膜/基底結(jié)構(gòu),撓電效應(yīng)對褶皺的發(fā)生會起到輕微的促進(jìn)作用,但總是趨向于減小褶皺幅值,特別是在小尺度范圍以下。撓電俘能器的俘能效率也具有強(qiáng)烈的尺度依賴效應(yīng),當(dāng)尺度進(jìn)一步縮小時,其俘能效率會顯著增強(qiáng)。對于撓電俘能器,電極重構(gòu)技術(shù)有助于提高其俘能效率,而且采用較小的電阻將有效增大其輸出功率,但需要更大的加載頻率來激發(fā)出最大輸出功率。本文中褶皺型撓電俘能器的功率密度比其他振動型撓電俘能器的功率密度至少高1個數(shù)量級。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸縮小到0.1μm以下時,褶皺型撓電俘能器的功率密度可高達(dá)10~4 W m~3,這比目前大部分低頻振動型俘能器的功率密度高了2~5個數(shù)量級。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN03;TB383.2
【圖文】：

程、生物醫(yī)學(xué)等重要領(lǐng)域[1]。這些電子元器件通常作為傳感節(jié)點，來構(gòu)成龐大的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，并承擔(dān)信息監(jiān)測、數(shù)據(jù)反饋工作。對這些傳感節(jié)點穩(wěn)定地供能，是一個極具挑戰(zhàn)的技術(shù)難點問題。一方面，有線供能無法適用于高度分散的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；另一方面，電池供電方式的維護(hù)成本十分高昂，特別對于在惡劣環(huán)境中進(jìn)行更換電池的作業(yè)，往往是不切實際的。因此，實時的俘能技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注[1-4]。實時的俘能技術(shù)是從電子器件的服役環(huán)境中獲得電能的技術(shù)，其優(yōu)勢在于依托環(huán)境進(jìn)行能量供給，不需要消耗任何燃料或物質(zhì)，是一種綠色環(huán)保的供能技術(shù)；同時，由于實現(xiàn)了電子器件能量的長期自給自足，在很大程度上提升了電子器件在服役過程中的穩(wěn)定性和可靠性。環(huán)境中可供轉(zhuǎn)化為電能的能量有很多，如機(jī)械運(yùn)動能、振動能、人體動能、波浪能、風(fēng)能等。圖 1 - 1 較為全面地概括了各種可供轉(zhuǎn)化的環(huán)境能量的范圍，其中機(jī)械能由于來源極其廣泛，因此成為主要的能量俘獲對象。人們常利用一些具有力電耦合效應(yīng)的特殊材料，將環(huán)境機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并供給微型電子元器件使用。

electricity）和撓電性（flexoelectricity），兩者作用機(jī)理各異。壓電性的材料通常被稱為壓電材料，常為離子非中心對稱的晶體。壓兩種效應(yīng)：外力使材料電極化稱為正壓電效應(yīng)，而外電場使材料發(fā)生效應(yīng)。正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從而實現(xiàn)俘能。如圖 1 - 2縮荷載作用下，材料的表面將出現(xiàn)異號電荷。若荷載為交變的循環(huán)互出現(xiàn)的電荷，從而輸出交流電，并供給電子器件使用。材料具有許多優(yōu)點，例如較高的輸出電壓，簡單的機(jī)理和較長的壽電陶瓷材料亦存在一些缺點。首先，壓電效應(yīng)僅僅存在于幾類具有特材料中，如常見的壓電陶瓷。另外，壓電材料需要在高溫高壓環(huán)境中能顯現(xiàn)壓電性，且隨著時間的推移，存在退極化和老化現(xiàn)象。除此著材料尺度下降而大大減弱，尤其是在小尺度以下[7]。這些問題都造料選擇和應(yīng)用方面均具有一定的局限性。

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本文編號：2715608