本文關(guān)鍵詞：新型微米級壓電振動能量采集器的制備及測試

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【摘要】：隨著能源的日益緊張,能量收集技術(shù)備受關(guān)注,而微型傳感器的發(fā)展使得能量收集器被廣泛研究。其應(yīng)用領(lǐng)域也呈現(xiàn)多樣化,包括監(jiān)測傳感器、嵌入式生物傳感器、為機(jī)械設(shè)備傳感器供電、為無人飛行器供電、為建筑的安全系統(tǒng)供電等等。而對于室內(nèi)及曰常生活、生產(chǎn)而言,振動能量收集技術(shù)更具潛力�；诒姸鄬W(xué)者的研究,出現(xiàn)了電磁式振動能量采集技術(shù)、靜電式振動能量采集技術(shù)、壓電式振動能量采集技術(shù)。經(jīng)過對比分析,壓電式振動能量采集技術(shù)更適于為微電子器件供電,更易于同MEMS工藝集成,從而實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。通過對壓電振動能量采集器研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析后得出,現(xiàn)有研究的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝等存在幾點(diǎn)不足。壓電式振動能量懫集器的輸出與器件的結(jié)構(gòu)、尺寸和壓電材料有著密切聯(lián)系,而現(xiàn)有的研究的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有章法可循,缺乏理論基礎(chǔ)。尺寸方面,為了追求高輸出導(dǎo)致尺寸過大,不適于微電子器件。制作工藝方面,很多都是基于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝,甚至手工粘連。為了提高輸出,同時控制器件的尺寸不至過大,設(shè)計(jì)了復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的壓電振動能量懫集器。并采用MEMS工藝制備出實(shí)體,各層材料及順序分別為:Si/Si02/Ti/Pt/PZT/Ti/Pt/Si3N4。為了探索適合于MEMS工藝制備壓電能量采集器的柔性襯底,分別在0.05nim不銹鋼、0.01mm不銹鋼、TC4鐵合金/Ti/Pt、TC4鈦合金/Cu、Si/Si02/Ti/Pt襯底上制備了PZT薄膜,并對試驗(yàn)結(jié)果做了檢測分析。為了檢測該壓電能量采集器的特性,對其進(jìn)行表征和改進(jìn),本文分別檢測了壓電材料的特性和能量采集器的特性。壓電材料(PZT薄膜)的性能,包括XRD晶相分析、AFM表面形貌分析、介電性能、鐵電性能和壓電性能。測試結(jié)果顯示,本文制備的PZT薄膜,形成了相對其他取向具有更好性能的(110)取向的韓鈦礦結(jié)構(gòu),且結(jié)構(gòu)致密,沒有出現(xiàn)明顯缺陷。材料的介電常數(shù)變化規(guī)律正常,最大值為2352,介電損耗最大值僅有0.046;漏電流也非常小,總體小于4x10"^A;鐵電性能方面,剩余極化為Pr=37.037 U C/cm2,矯頑電場Ec=27.083KV/cm;壓電常數(shù)d33=28 pC/N。由于本文制備的能量采集器的尺寸為微米量級,而壓電材料非常敏感,外界的振動、噪音、氣流等因素對器件的輸出影響非常大,從而導(dǎo)致測試結(jié)果不具備說服力。現(xiàn)有研究的測試系統(tǒng)僅適合大尺寸的壓電振動能量采集器的測試,所以本文搭建了新的測試系統(tǒng),該系統(tǒng)可以濾除外界干擾。經(jīng)測試4號副梁的最大輸出電壓達(dá)80.78 mV;功率密度為147.422090 W/cin3。
【關(guān)鍵詞】：壓電 微米 振動能量采集 MEMS 測試系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM619
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-20
• 1.1 研究的背景及意義9
• 1.2 機(jī)-電轉(zhuǎn)換方式的選擇9-19
• 1.2.4 壓電式振動能量采集器的研究現(xiàn)狀12-19
• 1.3 本論文的研究意義及主要內(nèi)容19-20
• 2 壓電式振動能量收集技術(shù)基礎(chǔ)20-31
• 2.1 壓電振動能量收集的振源及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)20-24
• 2.1.1 壓電振動能量收集的振源20-21
• 2.1.2 壓電振動能量收集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21-24
• 2.2 壓電振動能量采集器的測試及性能表征24-25
• 2.3 壓電振動能量采集的壓電材料25-31
• 2.3.1 壓電材料25-27
• 2.3.2 壓電材料的性能研究27-31
• 3 復(fù)合梁壓電式振動能量采集器的設(shè)計(jì)及制備31-36
• 3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)31-32
• 3.2 能量采集器的制作工藝32-36
• 3.2.1 工藝及掩膜板設(shè)計(jì)32-34
• 3.2.2 絕緣層的選擇34-35
• 3.2.3 在柔性襯底上制備PZT薄膜35-36
• 4 單斜相PZT薄膜的性能檢測分析36-48
• 4.1 單斜相PZT薄膜晶相驗(yàn)證分析及表面形貌36-40
• 4.2 單斜相PZT薄膜介電性能分析40-43
• 4.3 單斜相PZT薄膜鐵電性分析43-47
• 4.3.1 單斜相PZT薄膜漏電流分析43-44
• 4.3.2 單斜相PZT薄膜電滯回線44-47
• 4.5 單斜相PZT薄膜壓電性分析47-48
• 5 微米級壓電振動能量采集器的性能測試48-52
• 5.1 測量系統(tǒng)48-49
• 5.2 開路電壓和諧振頻率49-50
• 5.3 閉環(huán)輸出電壓和功率50-52
• 結(jié)論52-53
• 參考文獻(xiàn)53-58
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況58-59
• 致謝59-60

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：950538