新型微米级压电振动能量采集器的制备及测试

摘要

随着能源的日益紧张，能量收集技术备受关注，而微型传感器的发展使得能量收集器被广泛研究。其应用领域也呈现多样化，包括监测传感器、嵌入式生物传感器、为机械设备传感器供电、为无人飞行器供电、为建筑的安全系统供电等等。而对于室内及日常生活、生产而言，振动能量收集技术更具潜力。基于众多学者的研究，出现了电磁式振动能量采集技术、静电式振动能量采集技术、压电式振动能量采集技术。经过对比分析，压电式振动能量采集技术更适于为微电子器件供电，更易于同MEMS工艺集成，从而实现批量生产。
　　通过对压电振动能量采集器研究现状进行分析后得出，现有研究的结构设计、制作工艺等存在几点不足。压电式振动能量采集器的输出与器件的结构、尺寸和压电材料有着密切联系，而现有的研究的结构设计没有章法可循，缺乏理论基础。尺寸方面，为了追求高输出导致尺寸过大，不适于微电子器件。制作工艺方面，很多都是基于传统机械加工工艺，甚至手工粘连。
　　为了提高输出，同时控制器件的尺寸不至过大，设计了复合梁结构的压电振动能量采集器。并采用MEMS工艺制备出实体，各层材料及顺序分别为:Si/SiO2/Ti/Pt/PZT/Ti/Pt/Si3N4。为了探索适合于MEMS工艺制备压电能量采集器的柔性衬底，分别在0.05mm不锈钢、0.01mm不锈钢、TC4钛合金/Ti/Pt、TC4钛合金/Cu、Si/SiO2/Ti/Pt衬底上制备了PZT薄膜，并对试验结果做了检测分析。为了检测该压电能量采集器的特性，对其进行表征和改进，本文分别检测了压电材料的特性和能量采集器的特性。压电材料（PZT薄膜）的性能，包括XRD晶相分析、AFM表面形貌分析、介电性能、铁电性能和压电性能。测试结果显示，本文制备的PZT薄膜，形成了相对其他取向具有更好性能的(110)取向的钙钛矿结构，且结构致密，没有出现明显缺陷。材料的介电常数变化规律正常，最大值为2352，介电损耗最大值仅有0.046;漏电流也非常小，总体小于4×10-9A;铁电性能方面，剩余极化为Pr=37.037μC/cm2，矫顽电场Ec=27.083KV/cm;压电常数d33=28 pC/N。
　　由于本文制备的能量采集器的尺寸为微米量级，而压电材料非常敏感，外界的振动、噪音、气流等因素对器件的输出影响非常大，从而导致测试结果不具备说服力。现有研究的测试系统仅适合大尺寸的压电振动能量采集器的测试，所以本文搭建了新的测试系统，该系统可以滤除外界干扰。经测试4号副梁的最大输出电压达80.78 mV;功率密度为147.42209μW/cm3。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 机-电转换方式的选择

1．2．4 压电式振动能量采集器的研究现状

1．3 本论文的研究意义及主要内容

2 压电式振动能量收集技术基础

2．1 压电振动能量收集的振源及结构设计

2．1．1 压电振动能量收集的振源

2．1．2 压电振动能量收集器的结构设计

2．2 压电振动能量采集器的测试及性能表征

2．3 压电振动能量采集的压电材料

2．3．1 压电材料

2．3．2 压电材料的性能研究

3 复合梁压电式振动能量采集器的设计及制备

3．1 结构设计

3．2 能量采集器的制作工艺

3．2．1 工艺及掩膜板设计

3．2．2 绝缘层的选择

3．2．3 在柔性衬底上制备PZT薄膜

4 单斜相PZT薄膜的性能检测分析

4．1 单斜相PZT薄膜晶相验证分析及表面形貌

4．2 单斜相PZT薄膜介电性能分析

4．3 单斜相PZT薄膜铁电性分析

4．3．1 单斜相PZT薄膜漏电流分析

4．3．2 单斜相PZT薄膜电滞回线

4．5 单斜相PZT薄膜压电性分析

5 微米级压电振动能量采集器的性能测试

5．1 测量系统

5．2 开路电压和谐振频率

5．3 闭环输出电压和功率

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢