串联结构和共面电极结构的d15模式压电俘能器

摘要

从周围环境中的振动源俘获能量因其具有应用于微型无线传感器和便携电子设备的潜能而成为一个热门的话题。目前的研究主要集中在d31和d33模式压电俘能器俘能上,然而有不少压电材料的压电系数满足d15>d33>d31这一大小关系,比如PMN-PT单晶,PZT-4、PZT-5A、PZT-5H、PZT-6B、PZT-7A系列及BaTiO3、Na0.5K0.5NbO3、PbTiO3陶瓷等。而具有高压电系数的压电俘能器会输出高的电压和功率。例如,B.Ren等人制备了d15模式PMN-PT单晶压电俘能器,和d31模式PMN-PT单晶压电俘能器对比,压电材料的体积只有后者的一半,但是最大输出功率是后者的7倍,对应的输出电压是后者的8倍。因而d15模式压电俘能器具有潜在的应用。其次,串联结构有助于提高d31和d33模式压电俘能器的俘能性能,但是串联结构的d15模式压电俘能器还没有报道。再次,共面电极结构有可能为d15模式薄膜压电俘能器的实现提供指导,因此需要先利用压电块体材料制作出共面电极结构d15模式压电俘能器,进而为后续d15模式压电俘能器的薄膜化、微型化提供相关基础。综上所述,选取串联结构d15模式压电俘能器和共面电极结构d15模式压电俘能器作为研究对象并研究其俘能性能是具有学术价值和应用前景的。本论文的主要内容与结果如下:
　　1.设计并制作了串联结构d15模式PZT-51压电俘能器,研究了其在不同频率下的输出峰峰值电压和功率。同时制作了单片上下电极结构d15模式PZT-51压电俘能器用于与所设计的串联结构d15模式PZT-51压电俘能器对比其开路下的输出峰峰值电压。尽管串联结构d15模式PZT-51压电俘能器的压电单元面积比单片上下电极结构d15模式模式PZT-51压电俘能器的压电单元面积小,但开路下的输出峰峰值电压仍比后者高。
　　2.建立了串联结构d15模式PZT-51压电俘能器的有限元分析模型和理论数学模型,模拟了其在不同频率下的俘能性能并与实验值进行比较。有限元分析结果和理论模拟结果都与实验值比较接近,表明建立的有限元分析模型和理论数学模型能够有效的预测器件的俘能性能,同时说明实验是可信的。基于建立的有限元模型,模拟了悬臂梁自由端质量块质量和器件几何参数对该压电俘能器输出峰峰值电压和共振频率的影响,期望对压电俘能器的设计和优化提供些许有用的指导。
　　3.设计并制作了共面电极结构d15模式PZT-51压电俘能器,同时也制作了单片上下电极结构d15模式PZT-51压电俘能器,对比了两器件的俘能性能。为了进一步验证设计的共面电极结构器件比上下电极结构器件的优越性,将压电材料替换为PMN陶瓷,又对比了两器件的俘能性能。两组对比实验,体现了共面电极结构d15模式压电俘能器的优越性,并为后续d15模式压电俘能器的薄膜化提供相关指导。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 俘能技术概述

1.2 压电俘能技术的物理基础

1.3 压电俘能器

1.4 本论文的选题依据和主要内容

第2章 串联结构d15模式压电俘能器的制作与测试

2.1器件的设计与制作

2.2 压电俘能性能测试系统

2.3 串联结构器件的俘能性能

2.4 串联结构和单个压电单元输出电压关系的验证

2.5 串联结构器件和上下电极结构器件的开路峰峰值电压对比

2.6 本章小结

第3章 串联结构d15模式压电俘能器的有限元分析与理论模拟

3.1 串联结构d15模式压电俘能器的有限元模型和理论模型

3.2 串联结构器件俘能性能的有限元分析和理论模拟

3.3 有限元分析质量块质量和器件几何参数对器件俘能性能的影响

第4章 共面电极结构d15模式压电俘能器

4.1 器件的设计与制作

4.2 基于PZT-51陶瓷的共面电极结构和上下电极结构器件的俘能性能对比

4.3基于PMN陶瓷的共面电极结构和上下电极结构器件的俘能性能对比

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文