两端固支梁压电振动能量收集器的研究

摘要

随着微型电子设备对供能条件的要求越来越苛刻，压电振动能量收集技术在物联网、不可拆卸电子设备和便携式电子产品等系统的供能上得到了广泛关注。压电振动能量收集技术研究的核心在于保证匹配工作环境振动频率的基础上提高电能的输出。在众多采用 MEMS工艺制作的微型压电振动能量收集器中，利用增大尺寸和新型结构设计可以提高能量收集器的输出电压。于是许多国内外学者开始关注厘米级新型结构的 MEMS工艺制作及其厘米级新型结构的电压输出性能和振动特性。
　　本文基于压电振动能量收集技术，设计了一种厘米级两端固支梁结构的能量收集器，研究了两端固支梁结构力学性能和振动特性，导出了两端固支梁结构应力和一阶固有频率的优化方法。利用ANSYS仿真软件进行了悬臂梁和两端固支梁结构的应力和一阶固有频率的对比分析，并对器件进行了前四阶模态的分析。采用 MEMS工艺完成器件的制作，并对PZT薄膜进行了性能的测试，对器件进行了静态、动态性能和输出性能等方面的测试。
　　PZT薄膜的X射线衍射（XRD）分析结果表明，PZT薄膜完全转化为钙钛矿组织；原子力显微镜（AFM）测试结果表明，PZT薄膜晶粒的平均直径为54.21nm，平均高度为0.679nm；四探针半导体参数测量仪测试结果表明，在0~30V电压作用下，漏电流始终小于4.18nA； LCR测试仪测试结果表明，在频率为50~104Hz，大小为1V的正弦电压作用下，电容值的变化范围是18.1nF~21.3nF，介电损耗变化范围是0.02~0.06，相对介电常数变化范围是1525~1793；铁电性能测试结果表明，PZT薄膜的剩余极化强度Pr=10.691μC/cm2，矫顽电场强度Ec=20.556KV/cm。
　　器件的静态、动态性能和输出性能测试结果表明，器件的振动会表现出非线性（硬特性）的特征。器件的阻尼比ζ=0.0157。在不同振动强度下，1号梁的开环输出性能测试结果表明，振动强度越大，器件的开路峰值电压越大，工作带宽也越大，当实际激振加速度为6.84m/s2时，其开路峰值电压的最大值为94mV，-3dB带宽为56Hz，并且器件的一阶模态仿真值（284.557Hz）和其开路峰值电压开始增大处的频率（275~300Hz）相近。2号梁的闭环输出性能测试结果表明，当实际激振加速度峰值为4.91m/s2时，负载功率的最大值为182.5nW，最佳负载电阻大小为15kΩ。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 能量收集技术

1.3 压电振动能量收集器的研究现状

1.4 本文的研究目的与研究内容

2 两端固支梁压电振动能量收集器的理论基础

2.1 压电材料和工作模式的选择

2.2 结构设计和工作原理

2.3 两端固支梁结构的受力变形和振动特性分析

2.4 本章小结

3 两端固支梁压电式振动能量收集器的仿真与制作

3.1 优化设计与建模仿真

3.2 器件的制作工艺流程研究

3.3 关键制作工艺研究

3.4 本章小结

4 两端固支梁压电振动能量收集器的性能测试

4.1 PZT薄膜性能测试分析

4.2 两端固支梁结构的静态和动态性能测试

4.3 输出性能测试

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢