針對改善能量收集器在多頻點(diǎn)中的應(yīng)用,本文基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)了ZnO壓電薄膜能量收集器,該結(jié)構(gòu)由具有質(zhì)量塊的硅懸臂梁陣列和壓電結(jié)構(gòu)兩部分組成。為實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)能量收集,設(shè)計(jì)由三個(gè)梁寬和梁厚相同、梁長不同的懸臂梁作為振動信號拾取的彈性元件,采用Pt/Ti底電極、Li摻雜ZnO薄膜壓電層和Al頂電極構(gòu)成的三層膜作為壓電結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)振動能與電能的轉(zhuǎn)換。在感受外界環(huán)境一定振動時(shí),該能量收集器上、下電極產(chǎn)生電信號,可實(shí)現(xiàn)一定振動頻率下能量收集。為有效提高能量收集器性能,采用射頻磁控濺射法制備Li摻雜ZnO壓電薄膜,通過X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜分析(XPS)、原子力顯微鏡(AFM)、壓電響應(yīng)力顯微鏡(PFM)等研究ZnO薄膜優(yōu)化的制備工藝條件,結(jié)果表明5wt%Li摻雜ZnO薄膜具有良好的c軸擇優(yōu)取向且壓電系數(shù)d₃₃約為9.86 pm/V,電阻率約為45.22 kΩ·cm。采用ANSYS、COMSOL軟件構(gòu)建能量收集器仿真模型,分析能量收集器靜態(tài)力學(xué)特性和壓電特性,并利用L-Edit軟件完成芯片版圖設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上,完成ZnO壓電薄膜能量收集器...

【文章頁數(shù)】：123 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【文章目錄】：
中文摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題研究的目的和意義
    1.2 壓電式能量收集器研究現(xiàn)狀
        1.2.1 ZnO壓電薄膜能量收集器研究現(xiàn)狀
        1.2.2 PZT壓電薄膜能量收集器研究現(xiàn)狀
        1.2.3 AlN壓電薄膜能量收集器研究現(xiàn)狀
    1.3 ZnO壓電薄膜研究現(xiàn)狀
    1.4 論文主要研究內(nèi)容
第2章 ZnO壓電薄膜的制備
    2.1 ZnO壓電薄膜的制備方法
    2.2 Li摻雜對Zn O薄膜微結(jié)構(gòu)特性的影響
        2.2.1 XRD分析
        2.2.2 XPS分析
        2.2.3 SEM分析
    2.3 Li摻雜對Zn O薄膜壓電特性的影響
        2.3.1 PFM分析
        2.3.2 電阻率分析
    2.4 退火溫度對Zn O薄膜微結(jié)構(gòu)特性的影響
        2.4.1 XRD分析
        2.4.2 SEM分析
        2.4.3 AFM分析
    2.5 本章小結(jié)
第3章 ZnO壓電薄膜能量收集器基本結(jié)構(gòu)與工作原理
    3.1 ZnO壓電薄膜能量收集器基本結(jié)構(gòu)
    3.2 ZnO壓電薄膜能量收集器工作原理
        3.2.1 壓電效應(yīng)
        3.2.2 MEMS壓電式振動能量收集器常見的振動模式
        3.2.3 ZnO壓電薄膜能量收集器工作原理
    3.3 本章小結(jié)
第4章 ZnO壓電薄膜能量收集器的仿真、設(shè)計(jì)與制作
    4.1 能量收集器靜態(tài)力學(xué)特性仿真
        4.1.1 能量收集器靜態(tài)力學(xué)仿真模型構(gòu)建
        4.1.2 懸臂梁長度對靜態(tài)力學(xué)特性的影響
        4.1.3 懸臂梁厚度對靜態(tài)力學(xué)特性的影響
        4.1.4 能量收集器靜態(tài)力學(xué)特性仿真
    4.2 能量收集器壓電特性仿真
        4.2.1 能量收集器壓電仿真模型構(gòu)建
        4.2.2 能量收集器頻率響應(yīng)特性仿真
        4.2.3 能量收集器輸出負(fù)載特性仿真
    4.3 能量收集器版圖設(shè)計(jì)
    4.4 能量收集器制作工藝
    4.5 本章小結(jié)
第5章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
    5.1 能量收集器測試系統(tǒng)搭建
    5.2 能量收集器頻率響應(yīng)特性測試
        5.2.1 壓電層電極并聯(lián)輸出頻響特性
        5.2.2 壓電層電極串聯(lián)輸出頻響特性
    5.3 能量收集器輸出特性與環(huán)境振動加速度的關(guān)系
    5.4 能量收集器輸出負(fù)載特性測試
        5.4.1 壓電層電極并聯(lián)輸出負(fù)載特性
        5.4.2 壓電層電極串聯(lián)輸出負(fù)載特性
    5.5 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
致謝
攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文
攻讀學(xué)位期間承擔(dān)科研項(xiàng)目
攻讀學(xué)位期間申請專利
攻讀學(xué)位期間大賽獲獎(jiǎng)



本文編號：3860541