基于壓電-電磁機(jī)理的微型復(fù)合振動(dòng)能量收集器關(guān)鍵技術(shù).pdf

1、基于環(huán)境振動(dòng)能的微型振動(dòng)能量收集器已成為解決各種超低功耗微電子器件與系統(tǒng)微電源的使能技術(shù)，如何進(jìn)一步提高微型能量收集器輸出功率，是近年來的研究熱點(diǎn)，論文將開展基于壓電-電磁機(jī)理的微型復(fù)合振動(dòng)能量收集器關(guān)鍵技術(shù)研究，具有重要的科學(xué)意義和需求背景。
　　論文針對(duì)微型振動(dòng)能量收集器存在輸出功率和輸出電壓低難以滿足應(yīng)用需求的問題，提出了一種共用帶永磁體質(zhì)量塊的MEMS壓電懸臂梁陣列和感應(yīng)線圈構(gòu)成的壓電-電磁微型復(fù)合振動(dòng)能量收集器新結(jié)構(gòu)；分

2、析了基于壓電-電磁機(jī)理的微型復(fù)合振動(dòng)能量收集器的結(jié)構(gòu)和工作原理，基于壓電懸臂梁集總參數(shù)模型和法拉第電磁感應(yīng)定律對(duì)壓電轉(zhuǎn)換部分和電磁轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行了理論分析，確定了MEMS壓電懸臂梁陣列和感應(yīng)線圈的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成了微型復(fù)合振動(dòng)能量收集器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；基于PZT薄膜制備方法和MEMS工藝制定了MEMS壓電懸臂梁陣列加工工藝流程；基于印刷電路板技術(shù)研制出感應(yīng)線圈樣品；設(shè)計(jì)了微型復(fù)合振動(dòng)能量收集器的封裝管殼，成功研制出原理樣機(jī)。制定了測(cè)試方

3、案，并搭建了測(cè)試平臺(tái)，完成了原理樣機(jī)的性能測(cè)試與分析。測(cè)試結(jié)果表明：在0.3g加速度、56.4Hz的振動(dòng)激勵(lì)下，樣機(jī)的最大總輸出功率達(dá)55.57μW；論文提出的MEMS壓電懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)顯著的提高了輸出電壓；壓電-電磁復(fù)合轉(zhuǎn)換機(jī)理有效的提高了輸出功率。
　　論文主要工作是：
　?、俜治隽宋⑿驼駝?dòng)能量收集技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在的科學(xué)與技術(shù)問題，確定了論文的研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容；
　　②針對(duì)微型振動(dòng)能量收集器普遍存在輸

4、出功率和輸出電壓低難以滿足應(yīng)用需求的問題，提出了一種帶共用永磁體質(zhì)量塊的MEMS壓電懸臂梁陣列和感應(yīng)線圈（感應(yīng)線圈放置在永磁體上下方）構(gòu)成的，基于壓電-電磁機(jī)理的微型復(fù)合振動(dòng)能量收集器的新結(jié)構(gòu)；基于壓電懸臂梁集總參數(shù)模型和法拉第電磁感應(yīng)定律對(duì)壓電轉(zhuǎn)換部分和電磁轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行了理論分析，分析了影響微型復(fù)合振動(dòng)能量收集器輸出性能的主要因素；
　?、刍贏NSYS和Maxwell3D軟件，進(jìn)行了微型復(fù)合振動(dòng)能量收集器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，完成了

5、壓電懸臂梁的梁長(zhǎng)與梁厚、永磁體尺寸、感應(yīng)線圈的線寬與厚度以及永磁體與線圈的靜態(tài)間距等參數(shù)的優(yōu)化，確立了基于壓電-電磁機(jī)理的微型復(fù)合振動(dòng)能量收集器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
　?、苎芯苛薖ZT薄膜制備方法，制定了MEMS壓電懸臂梁陣列的加工工藝流程；設(shè)計(jì)制作了多層低內(nèi)阻感應(yīng)線圈；完成了微型復(fù)合振動(dòng)能量收集器封裝管殼的設(shè)計(jì)與制備，研制出了基于壓電-電磁機(jī)理的微型復(fù)合振動(dòng)能量收集器原理樣機(jī)；
　?、菅芯苛嘶趬弘?電磁機(jī)理的微型復(fù)合振動(dòng)能量收集

6、器測(cè)試方法；搭建了微型振動(dòng)能量收集器測(cè)試平臺(tái)，完成了樣機(jī)在不同工作狀態(tài)下輸出性能的測(cè)試與分析。測(cè)試結(jié)果表明：研制出的樣機(jī)在0.3g加速度、56.4Hz的振動(dòng)激勵(lì)下，外接最優(yōu)化負(fù)載時(shí)，MEMS壓電懸臂梁陣列的負(fù)載電壓為3245mV，輸出功率為33.97μW；上線圈的負(fù)載電壓為46.7mV，輸出功率為7.52μW；下線圈的負(fù)載電壓為65mV，輸出功率為14.08μW，總輸出功率達(dá)55.57μW。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)有效的提高了輸出功率和輸出