發(fā)布時(shí)間：2020-06-17 13:39

【摘要】：近年來(lái),隨著集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System,MEMS)等技術(shù)的快速發(fā)展孕育了新型的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)軍事、智能交通、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生、家居等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)自身攜帶的電池供電量有限,采用更換電池的方式來(lái)延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)工作周期成本較高制約了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。解決節(jié)點(diǎn)供電問(wèn)題的關(guān)鍵是突破傳統(tǒng)電池供電的局限,采用有效的能量采集方法實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的自供電。本文針對(duì)微型壓電振動(dòng)能量收集器輸出功率密度低且工作頻率相對(duì)較高的問(wèn)題,提出了升頻式壓電厚膜微能量采集器。結(jié)合MEMS工藝,通過(guò)PZT壓電陶瓷圓片與單晶硅片的金屬共晶鍵合、PZT壓電陶瓷的減薄、鍍膜工藝、光刻與刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)壓電厚膜懸臂梁的制備。因此采用碰撞升頻機(jī)制,通過(guò)低頻懸臂梁吸收周圍環(huán)境的低頻振動(dòng),周期性碰撞高頻懸臂梁,實(shí)現(xiàn)低頻向高頻振動(dòng)的轉(zhuǎn)換,提高微能量采集器在低頻環(huán)境下的能量轉(zhuǎn)換效率。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)研究學(xué)習(xí)微能量采集器相關(guān)的理論知識(shí)。學(xué)習(xí)壓電振子的振動(dòng)方式,采用d31的壓電模式和懸臂梁式的支撐方式,作為微能量采集器的主體結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算懸臂梁式壓電微能量采集器的電壓輸出與功率輸出。研究碰撞式升頻機(jī)制的原理,分析懸臂梁的初始接觸、協(xié)同運(yùn)動(dòng)和彈性釋放的碰撞過(guò)程,并建立動(dòng)力學(xué)模型。(2)設(shè)計(jì)升頻式壓電厚膜微能量采集器,并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。升頻式微能量采集器主要由低頻蛇形懸臂梁和高頻直線型懸臂梁組成。用COMSOL仿真軟件分析懸臂梁的尺寸參數(shù)對(duì)共振頻率的影響,最終確定各懸臂梁的尺寸參數(shù)。設(shè)計(jì)的兩種低頻懸臂梁和一種高頻懸臂梁的共振頻率方別為44.078Hz、86.023Hz和2010.7Hz。(3)根據(jù)微能量采集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸參數(shù)開發(fā)基于壓電厚膜的MEMS制備新工藝。在傳統(tǒng)的光刻、刻蝕等MEMS工藝基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性通過(guò)圓片級(jí)金屬共晶鍵合的方式實(shí)現(xiàn)PZT壓電陶瓷圓片與單晶硅片的鍵合。再通過(guò)激光切割,機(jī)械減薄PZT壓電陶瓷,濺射金屬電極層和背部光刻刻蝕單晶硅,最終實(shí)現(xiàn)升頻式壓電厚膜微能量采集器的制備。(4)引線封裝壓電厚膜微能量采集器,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試需求搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),并對(duì)升頻式壓電厚膜微能量采集器的輸出性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程,分為高頻壓電厚膜懸臂梁的輸出性能測(cè)試和升頻式壓電厚膜微能量采集器的輸出性能測(cè)試。高頻壓電厚膜懸臂梁的共振頻率為1995Hz,在0.5g加速度下的輸出電壓為286mV,理論上最大平均輸出功率為2.694μW,最大功率輸出密度是224.5μW/cm3。升頻式壓電厚膜微能量采集器在裝配低頻懸臂梁的共振頻率為45Hz,高頻與低頻懸臂梁的裝配間距為0.7mm,測(cè)試的加速度為0.9g的情況下,輸出電壓的最大值為341.3mV,理論最大平均輸出功率為3.837μW,最大功率輸出密度為319.7μW/cm3。本文通過(guò)壓電厚膜工藝和碰撞式升頻機(jī)制的結(jié)合,解決了微能量采集器在低于50Hz的工作環(huán)境下,功率密度較低的問(wèn)題,有效的提高了基于MEMS工藝的微能量采集器的在功率輸出密度。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212.9;TN929.5
【圖文】：

膜材料有ＡＩＮ、ＰＺＴ邋（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０３，鋯鈦酸鉛）等。逡逑２０１１年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計(jì)了一種波紋狀結(jié)構(gòu)的Ａ１Ｎ微型壓電振動(dòng)能逡逑量采集器［２２］，如圖１－１所示。波紋狀結(jié)構(gòu)提高了能量采集器轉(zhuǎn)換效率，且沒(méi)有增加加逡逑工工藝的復(fù)雜性。研制的壓電振動(dòng)能量采集器體積為４００Ｘ５００Ｘ６８０｜ｊｍ３，在２．５６ｋＨｚ逡逑諧振頻率，0．２５ｇ加速度載荷激勵(lì)下，輸出電壓峰峰值為９２ｍＶ，輸出功率為４．９ｎＷ，逡逑功率密度為３６．０３ｎＷ／ｃｍ３。逡逑＇Ｖ邐yU逡逑ｉ邐＊邐＆邋ｃｏ＾ｕｇａｔｅｄｉＫ－ａｍ逡逑圖１－１基于ＡＩＮ薄膜的微能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖逡逑２０１３年加拿大多倫多大學(xué)的ＡＵ等人設(shè)計(jì)制造了基于Ａ１Ｎ薄膜的壓電微能量采逡逑集器［２３］，如圖１－２所示，其有效體積為５．６ｘ５．６ｘ0．４５ｍｍ３。在５７２Ｈｚ諧振頻率、２ｇ加逡逑速度的激勵(lì)下，輸出電壓峰峰值為４．１Ｖ，當(dāng)負(fù)載為４９５ｋＱ時(shí)，輸出功率為３知＼￥，逡逑功率密度大約為２４０９｜ａＷ／ｃｍ３。逡逑Ｂｓｔｉｏｍ邐ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑．．邐}0邐Ｓｆｔｓｍｆｅ逡逑＿邐ｆＴＶＳＳＳ逡逑ｒ－邐：ｔ逡逑＇邋＊＇？＇＇＇７＾邋�。桢�？卜逡逑＆邐］逡逑圖１－２基于ＡＩＮ微能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖逡逑與Ａ１Ｎ薄膜相比，ＰＺＴ薄膜具有更高的壓電系數(shù)，能更有效地將機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換逡逑為電能。２０１１年，瑞士洛桑壓電陶瓷研宄院采用溶膠一凝fH法以及ＲＦ濺射的方法制逡逑３逡逑

膜材料有ＡＩＮ、ＰＺＴ邋（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０３，鋯鈦酸鉛）等。逡逑２０１１年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計(jì)了一種波紋狀結(jié)構(gòu)的Ａ１Ｎ微型壓電振動(dòng)能逡逑量采集器［２２］，如圖１－１所示。波紋狀結(jié)構(gòu)提高了能量采集器轉(zhuǎn)換效率，且沒(méi)有增加加逡逑工工藝的復(fù)雜性。研制的壓電振動(dòng)能量采集器體積為４００Ｘ５００Ｘ６８０｜ｊｍ３，在２．５６ｋＨｚ逡逑諧振頻率，0．２５ｇ加速度載荷激勵(lì)下，輸出電壓峰峰值為９２ｍＶ，輸出功率為４．９ｎＷ，逡逑功率密度為３６．０３ｎＷ／ｃｍ３。逡逑＇Ｖ邐yU逡逑ｉ邐＊邐＆邋ｃｏ＾ｕｇａｔｅｄｉＫ－ａｍ逡逑圖１－１基于ＡＩＮ薄膜的微能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖逡逑２０１３年加拿大多倫多大學(xué)的ＡＵ等人設(shè)計(jì)制造了基于Ａ１Ｎ薄膜的壓電微能量采逡逑集器［２３］，如圖１－２所示，其有效體積為５．６ｘ５．６ｘ0．４５ｍｍ３。在５７２Ｈｚ諧振頻率、２ｇ加逡逑速度的激勵(lì)下，輸出電壓峰峰值為４．１Ｖ，當(dāng)負(fù)載為４９５ｋＱ時(shí)，輸出功率為３知＼￥，逡逑功率密度大約為２４０９｜ａＷ／ｃｍ３。逡逑Ｂｓｔｉｏｍ邐ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑．．邐}0邐Ｓｆｔｓｍｆｅ逡逑＿邐ｆＴＶＳＳＳ逡逑ｒ－邐：ｔ逡逑＇邋＊＇？＇＇＇７＾邋�。桢�？卜逡逑＆邐］逡逑圖１－２基于ＡＩＮ微能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖逡逑與Ａ１Ｎ薄膜相比，ＰＺＴ薄膜具有更高的壓電系數(shù)，能更有效地將機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換逡逑為電能。２０１１年，瑞士洛桑壓電陶瓷研宄院采用溶膠一凝fH法以及ＲＦ濺射的方法制逡逑３逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2717684