硅基MEMS壓電式振動(dòng)能量采集器設(shè)計(jì)制造及其性能研究.pdf

1、MEMS振動(dòng)能量采集器具有體積小、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)微小型化制造、壽命長、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、能量密度和轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，它可以通過機(jī)械振動(dòng)能量拾取裝置將環(huán)境中普遍存在的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，進(jìn)而有望全天候地為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、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(dòng)能量采集器有力地推進(jìn)了低碳經(jīng)濟(jì)、清潔能源的發(fā)展，已成為微能源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)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(jìn)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(jì)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(dòng)能量采集器，實(shí)現(xiàn)將環(huán)境中的振動(dòng)能量向電性能的轉(zhuǎn)換。在每個(gè)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(gè)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(jī)電轉(zhuǎn)化效率、輸出功率及輸出功率密度；同時(shí)，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(jī)械振動(dòng)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(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)下PZT壓電功能材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換效應(yīng)機(jī)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(jì)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(jìn)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(shí)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(jì)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(dòng)能量采集器的集成封裝工作；自主搭建振動(dòng)測試系統(tǒng)，模擬周圍環(huán)境中的機(jī)械振動(dòng)，對封裝好的器件進(jìn)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(lì)為3.0g時(shí)，振動(dòng)能量采集器件的輸出電壓峰-峰值達(dá)到最大166.4mVP-P/264.00mVP-P。在器件兩端加載1.20MΩ/3.00MΩ的負(fù)載時(shí)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