PMN-PT单晶柔性压电能量采集器研究

摘要

随着电子技术的发展，各种便携式电子设备的出现极大提高人们生活水平和促进社会经济发展，同时对于能源的供给也提出了新要求，发展环保高效的能源具有重要意义。环境中机械能的存在方式多种多样，柔性压电能量采集器利用压电效应可将机械能转换为电能，且具有轻薄、高效、生物相容性等优点，在电子领域和生物医疗领域有着广泛的应用前景。
　　通过对压电理论和压电材料的分析研究，选取铅基复合钙钛矿结构弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3](PMN-PT)作为实验中的压电材料，它是由弛豫铁电体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3和铁电体PbTiO3形成的一种固溶体。在准同型相界处(MPB)有着优异的铁电性、压电性、热释电性和介电性，在能量采集器、传感器、存储器等领域应用广泛。
　　利用有限元多物理场分析软件COMSOL建立柔性压电能量采集器几何模型，分析对比PMN-PT和PZT在叉指电极结构下的电压输出，PMN-PT材料在叉指电极和金属-绝缘层-金属(MIM)电极下的电压输出，不同叉指电极间距下的电压输出，最终采用叉指结构，电极宽度和电极间距都为100μm。利用MEMS加工工艺完成器件制造，使用光刻显影法制备叉指电极，化学机械抛光(CMP)工艺减薄抛光PMN-PT单晶到20μm，将PMN-PT单晶薄膜转移到柔性基底PET上，最终完成柔性器件制造。
　　自主搭建柔性压电能量采集器测试平台，对器件的输出电压和电流进行测试，实验结果表明器件输出电压可达13.5V，输出电流可达10.2μA。

目录

声明

摘要

1．1课题的研究依据和意义

1．2柔性能量采集器国内外发展现状

1．2．1柔性压电能量采集器研究现状

1．2．2柔性摩擦能量采集器研究现状

1．3本论文研究的主要内容

2．1压电材料概述

2．1．1发展历程及压电效应

2．1．2关键参数

2．2铁电体及弛豫铁电体概述

2．2．1铁电体简介

2．2．2弛豫铁电体简介

2．3钙钛矿及PMN-PT概述

2．3．1钙钛矿结构

2．3．2 PMN-PT简介

2．4压电材料理论

2．5本章小结

3柔性压电能量采集器结构设计与仿真

3．1 Comsol软件简介

3．2器件仿真步骤

3．3仿真结果分析对比

3．3．1 PMN-PT厚度的影响

3．3．2叉指间距的影响

3．3．3与PZT仿真对比

3．4本章小结

4柔性压电能量采集器工艺研究及加工

4．1化学机械抛光工艺理论

4．2工艺流程设计

4．3 PMN-PT单晶表征

4．4叉指电极的制备

4．4．1叉指电极的图形化

4．4．2溅射剥离工艺

4．5化学机械抛光工艺加工

4．5．1粘片

4．5．2减薄和抛光

4．6单晶片与PET基底异质集成

4．7引线与极化

4．8本章小结

5．1测试平台搭建

5．2测试数据分析

5．3本章小结

6．1论文的主要研究内容及结论

6．2论文创新点

6．3工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的研究成果

致谢