柔性可拉伸压电能量收集器设计与应用研究

摘要

有源穿戴电子和植入式电子设备都需要进行电源供电，传统的基于机械振动形式的压电悬臂梁结构虽然能实现高效的压电转换效率，但是很难与现有的柔性电子器件集成。因此，柔性可拉伸压电能量收集器是柔性电子器件的关键组成部分。为了克服无机压电材料脆性的缺点，本文研究可拉伸蜿蜒结构的叉指电极设计方法，采用光刻等工艺在MgO硬质基底上制备PZT压电薄膜结构，随后转印到弹性可拉伸基底PDMS上，制备出柔性可拉伸压电能量收集器，并集成到人体皮肤上进行应用。主要内容如下：
　　首先，讨论了压电效应、PZT压电材料及其工作模式，得出利用d33模式制备的器件具有更好的压电性能；提出了可拉伸 U形蜿蜒互连叉指电极结构设计方法并与 PZT纳米带阵列进行系统集成，并通过有限元方法对整个柔性可拉伸能量捕获系统的可拉伸性能进行仿真计算，得到满足拉伸性能条件下的最优压电响应的结构设计方法。
　　其次，设计出一套适合柔性可拉伸压电能量收集器的制备工艺流程，在MgO基片上溅射 PZT纳米带并进行退火和极化等处理，通过 XRD和铁电性能测试，表明 MgO基底上的PZT纳米带具有良好的钙钛矿结构（100）。通过转印工艺将能量捕获器件从MgO硬质基片转移到弹性基底 PDMS，并对转印后的能量捕获器件进行压电性能的测试与表征。
　　最后，通过仿真和实验对比的方法对压电能量收集器的力学性能进行分析与验证，得出在器件受压发生面外弯曲变形时，PZT纳米带上的最大应变为0.024％；在拉伸20%时，PZT纳米带的最大应变为0.69%，均在断裂应变1%范围内。将制备的柔性可拉伸能量捕获器与能量收集电路集成并安装到人体表皮，在人体运动过程中能够顺利捕获电能并进行存储，表明该压电能量收集器具有良好变形性能和能量捕获性能。

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1 绪论

1.1 课题来源

1.2课题的背景、目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 压电能量收集系统

2.1压电理论

2.2 工作模式

2.3 蜿蜒结构叉指电极的设计研究

2.4 本章小结

3 压电能量收集器的制备工艺探究

3.1 压电能量收集器的工艺流程

3.2 PZT纳米带的后续处理

3.3 器件的转印

3.4 本章小结

4 压电能量收集器的力学分析和性能测试

4.1 压电能量收集器的弯曲性能分析

4.2 压电能量发生器的拉伸性能仿真分析

4.3 压电能量发生器的性能表征

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间学术成果