硅基MEMS壓電式振動能量采集器設(shè)計制造及其性能研究.pdf

1、MEMS振動能量采集器具有體積小、靈敏度高、可實現(xiàn)微小型化制造、壽命長、環(huán)境適應(yīng)性強、能量密度和轉(zhuǎn)換效率高等特點，它可以通過機械振動能量拾取裝置將環(huán)境中普遍存在的振動能轉(zhuǎn)換成電能，進而有望全天候地為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、野外和植入結(jié)構(gòu)的微系統(tǒng)、各種低功耗電子元件等提供電能。MEMS振動能量采集器有力地推進了低碳經(jīng)濟、清潔能源的發(fā)展，已成為微能源技術(shù)領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向，在MEMS技術(shù)發(fā)展中具有重要的里程碑意義，對其進行的相關(guān)研究工作極具

2、科學(xué)意義和發(fā)展前景。本文創(chuàng)新性地設(shè)計了一種低頻壓電d31模式的八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)MEMS振動能量采集器，實現(xiàn)將環(huán)境中的振動能量向電性能的轉(zhuǎn)換。在每個懸臂梁上都異質(zhì)集成制備PZT壓電功能厚膜層，將所加工制造成的16個PZT壓電敏感單元相串聯(lián)增加了壓電發(fā)電能量，提高了系統(tǒng)的總體輸出電壓、機電轉(zhuǎn)化效率、輸出功率及輸出功率密度；同時，八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的一階諧振頻率較低，與環(huán)境機械振動極易產(chǎn)生共振，更易于產(chǎn)生高密度的電能量。本文硅基

3、MEMS壓電式振動能量采集器的研究工作為可再生微能源研究提供了一種新的思路。
　　本研究揭示了振動驅(qū)動下PZT壓電功能材料的機電轉(zhuǎn)換效應(yīng)機理；構(gòu)建八懸臂梁-中心質(zhì)量塊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)壓電式力-電轉(zhuǎn)化模型，通過理論計算及MATLAB軟件分析器件八懸臂梁-中心質(zhì)量塊微結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，利用有限元仿真分析軟件 ANSYS對八懸臂梁-中心質(zhì)量塊微結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)仿真分析、模態(tài)仿真分析以及諧響應(yīng)仿真分析，揭示器件結(jié)構(gòu)與一階諧振頻率之間的依賴關(guān)系，結(jié)合M

4、EMS加工制造工藝限制條件，得到器件微結(jié)構(gòu)的最優(yōu)尺寸；采用Sol-Ge l工藝實現(xiàn)硅基PZT壓電厚膜膜的異質(zhì)集成制造，獲得的PZT壓電功能厚膜層的高度為3.5μm；結(jié)合濕法腐蝕、磁控濺射、干法刻蝕、光刻、剝離等MEMS工藝技術(shù)，完成器件基礎(chǔ)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計與M EMS加工制造；利用表面鍵合、引線鍵合等器件封裝技術(shù)完成壓電式振動能量采集器的集成封裝工作；自主搭建振動測試系統(tǒng)，模擬周圍環(huán)境中的機械振動，對封裝好的器件進行輸出電性能的測試與分析。

5、測試結(jié)果表明：Device A/DeviceB的一階諧振頻率為16 Hz/41 Hz、加速度激勵為3.0g時，振動能量采集器件的輸出電壓峰-峰值達到最大166.4mVP-P/264.00mVP-P。在器件兩端加載1.20MΩ/3.00MΩ的負載時最大輸出功率為73.05×10-2 nW/71.85×10-2nW，輸出功率密度為37.27 nW×cm-3/36.66nW×cm-3，PZT壓電敏感單元有效面積下的輸出功率密度為30.44nW