當(dāng)前,微電子設(shè)備的技術(shù)和應(yīng)用得到了充分的推進(jìn)和拓展。隨著技術(shù)進(jìn)步,商業(yè)應(yīng)用要求微電子設(shè)備的制造過程綠色無污染,并且保持更好的續(xù)航能力和可靠性。而可穿戴微電子設(shè)備需要更好的柔韌性,同時避免生理傷害。優(yōu)化微電子設(shè)備的供電方式是提升性能、解決上述問題的重要著力點。為了提供可持續(xù)的綠色能源,人們開始研究如何從環(huán)境中收集能量。基于壓電原理的俘能器件適用于提取人體運動產(chǎn)生的能源,而壓電聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）具有易加工、結(jié)構(gòu)簡單、柔韌性強(qiáng)和對人體友好等優(yōu)點,將其用于能量收集裝置有很大的優(yōu)勢,尤其適合用于給可穿戴設(shè)備供電。本文制作了一種基于PVDF壓電纖維的低頻壓電俘能器,這種低頻俘能器具有帶波紋的回字形懸臂梁結(jié)構(gòu)。選取靜電紡絲法制備了PVDF納米纖維膜,通過摻雜TiO₂納米粒子促進(jìn)PVDF中β相含量的提高,通過掃描電鏡、透射電鏡、紅外光譜和X射線衍射等測試手段,驗證了PVDF納米纖維膜壓電性能的提升。針對帶波紋懸臂梁的特殊結(jié)構(gòu),根據(jù)材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等知識建立了的數(shù)學(xué)模型,研究了波紋懸臂梁的固有頻率與懸臂梁厚度、波紋高度和波紋俯視投影長度之間的關(guān)系。為進(jìn)一步驗證理論分析的可... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

電磁式俘能器運動測試圖

第一章緒論2磁致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)[6]。Cheng等基于電磁感應(yīng)原理，設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)擺結(jié)構(gòu)用于收集超低頻的振動能量，該俘能器用于人體運動俘能的實驗測試如圖1.1所示，最大能量密度可達(dá)到79.9W/m2。另外，該研究還完成了給湖泊中移動浮標(biāo)供電的實驗，顯示了在低頻、低振幅的振動激勵下優(yōu)異的俘能表現(xiàn)，在人體振動能量收集和海洋能收集方面有很大的前景[7]。圖1.1電磁式俘能器運動測試圖Naruse等設(shè)計了一種靜電式俘能器，包含兩個帶有集電極的玻璃基板、移動體和硅基底，其中硅基底含有條紋覆蓋的駐極體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在窄電極條件下具有足夠高的表面電勢。靜電式俘能器結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。該俘能器在2Hz的低頻激勵下可以達(dá)到40μW的輸出功率。然而，靜電式俘能器需要外接電源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有機(jī)械約束，在應(yīng)用中受到很大的限制[8]。圖1.2靜電式俘能器結(jié)構(gòu)示意圖

第一章緒論3劉成龍等提出一種超磁致伸縮式振動俘能裝置，設(shè)計了一種棒式振動能量回收結(jié)構(gòu)，輸出電動勢峰-峰值為136.4mV。能量收集原理如圖1.3所示。但磁致伸縮俘能裝置需采集線圈和偏置磁場，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不適合與微系統(tǒng)集成[9]。圖1.3磁致伸縮式振動俘能原理圖壓電能量收集技術(shù)作為最簡單的收集能量的方法，無需外加電源，結(jié)構(gòu)簡單，具有可觀的輸出電壓，并且易與微機(jī)電系統(tǒng)集成。壓電俘能器俘能流程如圖1.4所示。壓電俘能技術(shù)可以有效地收集上肢運動、自然呼吸、步行等人體各項運動所能產(chǎn)生的低頻機(jī)械能，適合用于給可穿戴設(shè)備提供穩(wěn)定的能量供應(yīng)[6]。圖1.4壓電俘能器俘能流程圖值得注意的是，熱能、濕度和風(fēng)能等也可以參與壓電能量轉(zhuǎn)換，由于壓電效應(yīng)與振動和壓力相關(guān)，且結(jié)構(gòu)相對簡單，所以這幾種常見的能量轉(zhuǎn)換方式可以與壓電材料相結(jié)合。Erturun等人于2013年對熱電能量收集進(jìn)行了輻射實驗分析，他們使用PZT-5A作為熱電材料，利用紅外加熱裝置產(chǎn)生不同溫度變化頻率的熱源，使用全波整流橋作為能量采集電路，并將能量儲存在電容中。分析了電路阻抗、電容和溫度變化頻率對能量收集的影響，在最優(yōu)配置下可得到62.89μJ的能量[10]。Wang研究了對濕度敏感的PEDOT:PSS/PVDF膜，由于PEDOT:PSS材料的特殊性質(zhì)，相對濕度由23%變?yōu)?6%時，復(fù)合膜的彎曲曲率由-191°變?yōu)?25°。復(fù)合材料的形變使得PVDF成分產(chǎn)生電荷。進(jìn)一步地，他們設(shè)計了仿生蜻蜓和三

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]高壓靜電紡絲工藝制備PVDF-ZnO/GR共聚物膜的壓電性能研究[J]. 駱懿,于洋,廖家明,金雨鑫,李俊鋒,葉敏超.  傳感技術(shù)學(xué)報. 2019(06)
[2]典型壓電俘能器的發(fā)展現(xiàn)狀與俘能機(jī)理分析[J]. 王爽,呂寶占.  電子元件與材料. 2018(11)
[3]微弱能量收集電路技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 榮訓(xùn),陳志敏,曹廣忠.  傳感器與微系統(tǒng). 2015(09)
[4]自供電式并聯(lián)電感同步開關(guān)壓電能量收集電路實現(xiàn)方法研究[J]. 張淼,孟慶豐,王宏金.  振動與沖擊. 2015(09)
[5]振動能量收集電源電路設(shè)計[J]. 王忠民,張延波,郭林鑫,徐文青.  微型機(jī)與應(yīng)用. 2015(05)
[6]基于低頻驅(qū)動的微壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)研究[J]. 李如春,征琦,林宇俊.  壓電與聲光. 2014(05)
[7]電子顯微鏡的現(xiàn)狀與展望[J]. 姚駿恩.  電子顯微學(xué)報. 1998(06)

博士論文
[1]低頻壓電俘能器研究[D]. 胡洪平.華中科技大學(xué) 2006

碩士論文
[1]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的天文望遠(yuǎn)鏡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化[D]. 楊永剛.北京交通大學(xué) 2018
[2]PVDF電紡纖維膜的成型及其性能研究[D]. 李春艷.華南理工大學(xué) 2014
[3]基于移動終端的復(fù)合梁結(jié)構(gòu)壓電發(fā)電技術(shù)研究[D]. 王大宇.電子科技大學(xué) 2014
[4]振動校準(zhǔn)裝置測控系統(tǒng)的開發(fā)與研究[D]. 潘良明.浙江大學(xué) 2006



本文編號：3429252