探究微机基于压电厚膜MEMS振动能量采集器大专

摘要：微机械加工、微电子以及无线传感等技术进展迅速，使得射频识别系统、嵌入式系统、无线传感器以及它们形成的无线传感网络广泛地运用于日常生活中。这类微器件的功耗越来越低，能够低至微瓦量级。但要求相应的供电部件体积小、集成度高、寿命长甚至无人看管、无需更换等。传统的化学电池供电方式由于有着体积和质量较大、供能时间有限等缺点，已经无法满足这些微器件的供能要求。借助于能量采集技术将自然界广泛有着的各种振动能量转换为电能，以而为微电子器件持久供电是一种有效的解决案例。基于MEMS技术制备的能量采集器能够与各种微器件集成加工在一起，可以实现微器件的集成化和自供能，由此，正受到国内外许多探讨小组的关注和重视。本论文主要围绕基于压电厚膜的MEMS能量采集器展开探讨。在浅析总结国内外相关探讨工作的基础上，提出一种基于压电厚膜的MEMS振动能量采集器设计案例，建立了压电式振动能量采集器的机电耦合模型，优化了器件的结构参数，在基于键合和减薄技术制备性能优异的压电厚膜基础上，采取成本较低的体硅微加工技术等MEMS工艺制作了高性能的压电能量采集器实验样机，最后对所制备的实验样机进行了测试，并对实验结果进行了详细浅析和讨论。论文的主要探讨工作包括：1、提出了基于压电厚膜的MEMS压电振动能量采集器设计案例。针对MEMS压电能量采集器，以结构类型、材料选用、工作方式等方面进行浅析，在此基础上结合实际制备工艺，设计了以PZT和PMNT单晶材料作为压电功能层，压电悬臂梁作为能量采集器的主体结构，并在梁自由端部添加镍金属质量块的两种压电能量采集器结构共三类器件，即铜梯形结构PZT压电能量采集器、硅矩形结构PZT和PMNT压电能量采集器。2、建立了压电式振动能量采集器的机电耦合模型，浅析了压电能量采集器的结构参数（主要有压电悬臂梁和质量块长度、支撑层和压电材料厚度、悬臂梁宽度和质量块高度）对器件谐振频率和负载输出功率密度的影响，讨论了各参数之间的相互耦合联系；此外，浅析了环氧树脂键合层厚度对器件输出性能的影响以及器件结构稳定性不足，最后给出了合理的压电能量采集器的结构参数。3、探讨了一种基于键合和减薄技术的高性能压电厚膜制备及其图形化策略。论文采取导电环氧树脂作为中间粘接层实现PZT（PMNT）和Si基片的结合，在键合压力为0.1Mpa、固化温度175℃的优化键合参数条件下，可获得15Mpa以上的键合强度；采取机械研磨与湿法刻蚀相结合策略实现压电体材的减薄，成功制备出了厚度可控（PZT:10～100μm，PMNT:5～100μm）、结构致密以及性能优异的压电厚膜。采取湿法刻蚀或机械微切割策略实现压电厚膜微图形化不足，其中，湿法化学刻蚀策略刻蚀压电厚膜后图形边缘过刻蚀严重，适用于对压电厚膜图形化要求不高的场所，而机械微切割策略具有简单、快速、准确等优点，适用于矩形结构悬臂梁的图形化。4、探讨了微压电能量采集器的MEMS加工策略及其实现历程，包括金属质量块、铜梯形压电悬臂梁和硅矩形压电悬臂梁的加工制备。所涉及的MEMS工艺主要包括光刻、溅射、刻蚀、基于UV-LIGA的SU8胶工艺、微电镀等，探讨了具体的工艺参数及其测控策略。最后根据设计的工艺案例，制备了三种MEMS压电能量采集器样机。5、采取由激振系统、振动监测系统和电学测试系统构成的能量采集器测试系统对实验样机性能进行测试探讨，包括谐振频率、电压输出、功率输出、整流与电容存储等相关参量和特性，探讨了振源加速度和频率等因素对器件输出性能的影响规律，并就有关数据与论述计算结果进行了比较，结果表明论述和实验值所得规律一致，数值比较吻合。根据测试，铜梯形结构的实验样机的最佳输出：在1.0g加速度、1010Hz的振动激励下，最大负载输出功率为1.43μW，相应的功率密度为7889.7μW/cm~3；硅矩形结构PZT实验样机最佳性能：1.0g加速度、514.1Hz的振动激励下，输出交流开路电压5.04VP-P，最大负载输出功率11.56μW，功率密度约28856.7μW/cm~3；硅矩形结构PMNT实验样机最佳性能：1.0g加速度、237.4Hz的振动激励下，器件的最大负载输出功率为2.704μW，功率密度达5352.3μW/cm~3。6、探讨了压电能量采集器样机在液体（硅油）环境中的输出特性。比较浅析了器件在硅油和空气两种环境中的输出性能。测试表明，在1g振源加速度条件下，器件在硅油液体环境中的阻尼比约为其在空气环境中2倍，这使得器件在硅油环境中的谐振频率和输出功率更低，分别较空气环境中减少了28.16%和85.89%，但有效频带宽度提升了52.98%。由此，可以利用转变器件的运转环境来增加能量采集器的工作带宽，以而为实现能量采集器的宽频带工作提供了一种可能的解决案例。关键词：微机电系统（MEMS）论文能量采集器论文压电厚膜论文微能源论文振动论文

摘要3-5

ABSTRACT5-11

第一章 绪论11-38

1.1 探讨背景概述11-12

1.2 能量采集微能源技术12-17

1.2.1 太阳能（Solar Energy）13-14

1.2.2 热能（温度梯度）14-15

1.2.3 射频辐射能15

1.2.4 机械振动能15-17

1.3 振动能量采集技术17-21

1.3.1 静电式振动能量采集器17-18

1.3.2 电磁式振动能量采集器18-19

1.3.3 磁致伸缩式振动能量采集器19-20

1.3.4 压电式振动能量采集器20-21

1.4 压电式能量采集器探讨进展21-31

1.5 本论文的探讨作用和主要内容31-33

及功率测试130-131

5.5 液体运用环境实验探讨131-134

5.6 本章小结134-136