伴隨著微型機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)、無線傳感技術(shù)的進(jìn)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(dòng)源頻率為20 Hz-200 Hz。對于諧振式壓電能量采集器,當(dāng)其頻率與振動(dòng)源頻率匹配時(shí),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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn),限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。本論文通過優(yōu)化壓電能量采集器的設(shè)計(jì)、制備等過程獲得低頻高性能的器件,以實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)備自供電。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1、設(shè)計(jì)了三種基于鍵合技術(shù)的懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電能量采集器。通過理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)過程,優(yōu)化器件設(shè)計(jì)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(fù)合梁厚度及額外添加質(zhì)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(jié)構(gòu)器件的諧振頻率、最佳匹配電阻、輸出功率等性能進(jìn)行仿真比較。結(jié)果表明部分覆蓋壓電功能層懸臂梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)壓電能量采集器的設(shè)計(jì)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(dāng)激勵(lì)加速度達(dá)到1.5 g時(shí),其最大開路電壓為15.7 V,最大輸出功率為216.66μW,此時(shí)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(jié)果表明器件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)壓電能量采集器的設(shè)計(jì)方案。其具有制備工藝簡單、輸出性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測試,在激勵(lì)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(jié)構(gòu)壓電能量采集器的設(shè)計(jì)方案。其具有諧振頻率低、輸出性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測試,在激勵(lì)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM619
【部分圖文】：

上海交通大學(xué)碩士學(xué)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(shè)計(jì)控制在此范圍之內(nèi)。通過匹配能量采集器與環(huán)境振動(dòng)源的頻率器的內(nèi)阻與采集電路的負(fù)載電阻，提高能量轉(zhuǎn)化效率，減少能量傳遞過程而獲得完整高效的振動(dòng)能量采集系統(tǒng)。時(shí)，在我們的環(huán)境中也存在著一些高加速度的振動(dòng)源。例如，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)度可以達(dá)到 1.2 g[30]。在某些航空航天或是軍事領(lǐng)域，一些彈道導(dǎo)彈和火其產(chǎn)生加速度可以達(dá)到 2 g - 15 g[31,32]。因此，壓電能量采集器應(yīng)具備較，以延長器件的使用壽命并適應(yīng)更多的振動(dòng)源環(huán)境。

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

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

【參考文獻(xiàn)】

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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(dòng)俘能器[J];光學(xué)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(dòng)能量采集器[J];光學(xué)精密工程;2014年09期

3 張利偉;鄭國強(qiáng);李濟(jì)順;;壓電能量采集技術(shù)研究[J];火力與指揮控制;2013年11期

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

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