基于壓電厚膜的MEMS振動(dòng)能量采集器研究.pdf

1、微機(jī)械加工、微電子以及無線傳感等技術(shù)發(fā)展迅速，使得射頻識(shí)別系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、無線傳感器以及它們形成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)廣泛地應(yīng)用于日常生活中。這類微器件的功耗越來越低，能夠低至微瓦量級(jí)。但要求相應(yīng)的供電部件體積小、集成度高、壽命長甚至無人看管、無需更換等。傳統(tǒng)的化學(xué)電池供電方式由于存在體積和質(zhì)量較大、供能時(shí)間有限等缺點(diǎn)，已經(jīng)無法滿足這些微器件的供能要求。借助于能量采集技術(shù)將自然界廣泛存在的各種振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，從而為微電子器件持久供電是一種

2、有效的解決方案。基于MEMS技術(shù)制備的能量采集器能夠與各種微器件集成加工在一起，可以實(shí)現(xiàn)微器件的集成化和自供能，因此，正受到國內(nèi)外許多研究小組的關(guān)注和重視。
　　 本文主要圍繞基于壓電厚膜的MEMS能量采集器展開研究。在分析總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，提出一種基于壓電厚膜的MEMS振動(dòng)能量采集器設(shè)計(jì)方案，建立了壓電式振動(dòng)能量采集器的機(jī)電耦合模型，優(yōu)化了器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在基于鍵合和減薄技術(shù)制備性能優(yōu)異的壓電厚膜基礎(chǔ)上，采用成本

3、較低的體硅微加工技術(shù)等MEMS工藝制作了高性能的壓電能量采集器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，最后對(duì)所制備的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析和討論。論文的主要研究工作包括:
　　 1、提出了基于壓電厚膜的MEMS壓電振動(dòng)能量采集器設(shè)計(jì)方案。針對(duì)MEMS壓電能量采集器，從結(jié)構(gòu)類型、材料選用、工作模式等方面進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際制備工藝，設(shè)計(jì)了以PZT和PMNT單晶材料作為壓電功能層，壓電懸臂梁作為能量采集器的主體結(jié)構(gòu)，并在梁自由端部

4、添加鎳金屬質(zhì)量塊的兩種壓電能量采集器結(jié)構(gòu)共三類器件，即銅梯形結(jié)構(gòu)PZT壓電能量采集器、硅矩形結(jié)構(gòu)PZT和PMNT壓電能量采集器。
　　 2、建立了壓電式振動(dòng)能量采集器的機(jī)電耦合模型，分析了壓電能量采集器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（主要有壓電懸臂梁和質(zhì)量塊長度、支撐層和壓電材料厚度、懸臂梁寬度和質(zhì)量塊高度）對(duì)器件諧振頻率和負(fù)載輸出功率密度的影響，討論了各參數(shù)之間的相互耦合關(guān)系;此外，分析了環(huán)氧樹脂鍵合層厚度對(duì)器件輸出性能的影響以及器件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問

5、題，最后給出了合理的壓電能量采集器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　 3、研究了一種基于鍵合和減薄技術(shù)的高性能壓電厚膜制備及其圖形化方法。論文采用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂作為中間粘接層實(shí)現(xiàn)PZT(PMNT)和Si基片的結(jié)合，在鍵合壓力為0.1Mpa、固化溫度175℃的優(yōu)化鍵合參數(shù)條件下，可獲得15Mpa以上的鍵合強(qiáng)度;采用機(jī)械研磨與濕法刻蝕相結(jié)合方法實(shí)現(xiàn)壓電體材的減薄，成功制備出了厚度可控(PZT∶10～100μm，PMNT∶5～100μm)、結(jié)構(gòu)致密以及

6、性能優(yōu)異的壓電厚膜。采用濕法刻蝕或機(jī)械微切割方法實(shí)現(xiàn)壓電厚膜微圖形化問題，其中，濕法化學(xué)刻蝕方法刻蝕壓電厚膜后圖形邊緣過刻蝕嚴(yán)重，適用于對(duì)壓電厚膜圖形化要求不高的場(chǎng)所，而機(jī)械微切割方法具有簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，適用于矩形結(jié)構(gòu)懸臂梁的圖形化。
　　 4、研究了微壓電能量采集器的MEMS加工方法及其實(shí)現(xiàn)過程，包括金屬質(zhì)量塊、銅梯形壓電懸臂梁和硅矩形壓電懸臂梁的加工制備。所涉及的MEMS工藝主要包括光刻、濺射、刻蝕、基于UV-LIG

7、A的SU8膠工藝、微電鍍等，探討了具體的工藝參數(shù)及其測(cè)控方法。最后根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝方案，制備了三種MEMS壓電能量采集器樣機(jī)。
　　 5、采用由激振系統(tǒng)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成的能量采集器測(cè)試系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試研究，包括諧振頻率、電壓輸出、功率輸出、整流與電容存儲(chǔ)等相關(guān)參量和特性，研究了振源加速度和頻率等因素對(duì)器件輸出性能的影響規(guī)律，并就有關(guān)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明理論和實(shí)驗(yàn)值所得規(guī)律一致，數(shù)值比較吻

8、合。根據(jù)測(cè)試，銅梯形結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的最佳輸出:在1.0g加速度、1010Hz的振動(dòng)激勵(lì)下，最大負(fù)載輸出功率為1.43μW，相應(yīng)的功率密度為7889.7μW/cm3;硅矩形結(jié)構(gòu)PZT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)最佳性能:1.0g加速度、514.1Hz的振動(dòng)激勵(lì)下，輸出交流開路電壓5.04Vp-p，最大負(fù)載輸出功率11.56μW，功率密度約28856.7μW/cm3;硅矩形結(jié)構(gòu)PMNT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)最佳性能:1.0g加速度、237.4Hz的振動(dòng)激勵(lì)下，器件的最大負(fù)載

9、輸出功率為2.704μW，功率密度達(dá)5352.3μW/cm3。
　　 6、研究了壓電能量采集器樣機(jī)在液體（硅油）環(huán)境中的輸出特性。對(duì)比分析了器件在硅油和空氣兩種環(huán)境中的輸出性能。測(cè)試表明，在1g振源加速度條件下，器件在硅油液體環(huán)境中的阻尼比約為其在空氣環(huán)境中2倍，這使得器件在硅油環(huán)境中的諧振頻率和輸出功率更低，分別較空氣環(huán)境中減少了28.16％和85.89％，但有效頻帶寬度提高了52.98％。因此，可以利用改變器件的運(yùn)行環(huán)境來增