基于压电-磁电复合技术的振动能量拾取MEMS器件设计与制造

摘要

高能量输出密度的自我供电微能源技术有着迫切的应用需求，是智能化MEMS器件系统发展的重要方向。振动能量拾取MEMS器件具有体积小、重量轻、能量密度高、寿命长、无污染、对环境适应性强等优点，有望为野外和置入结构的微系统、无线传感网络节点、便携式微电子产品提供高可靠、长时间的电能。
　　本文研究的基于压电-磁电复合技术的振动能量拾取MEMS器件将外界环境振动能转化为电能，整合了压电发电和电磁发电的优势，提高输出电压、电流；利用新型四悬臂梁-中心质量块结构代替传统的单悬臂梁结构，在每个悬臂梁上都集成制备PZT薄膜压电层，增加了压电发电能量，提高了系统的总体能源密度与输出效率，同时，四悬臂梁-中心质量块结构固有频率低，与环境振动极易产生共振，更易于产生高密度的电能量，为MEMS自供给能源系统设计提供了新思路。
　　本文系统的研究了微纳尺度下压电材料机电转换效应及电磁能量转换机理；建立压电-磁电复合技术的振动能量拾取MEMS器件的结构模型，利用ANSYS11.0有限元分析软件对器件结构进行静态分析、模态分析、谐响应分析，结合微机械加工工艺限制条件，得出最优的加工尺寸；采用溶胶-凝胶工艺，实现3英寸Pt（111）/Ti/SiO2/Si（100）上PZT压电薄膜材料的异质集成；通过设计版图，结合体硅加工工艺、表面微加工工艺、LIGA工艺、键合工艺，完成四悬臂梁-中心质量块结构、永久性磁柱、电极及螺旋感应线圈的设计加工，实现基于压电-磁电复合技术的振动能量拾取MEMS器件的集成制造；搭建测试系统，对基于压电-磁电复合技术的振动能量拾取MEMS器件的性能进行了初步测试，为基于压电-磁电复合技术的振动能量拾取MEMS器件在微机电器件及系统中的实用化应用提供理论依据和技术指导。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 振动式微能源的类型及特点

1.3 振动式微能源的国内外研究现状

1.4 本论文研究的主要内容

第二章 复合振动能量拾取MEMS器件的工作原理

2.1 压电式MEMS器件的工作原理

2.2 磁电式MEMS器件的工作原理

2.3 本章小结

第三章 复合振动能量拾取MEMS器件结构的设计与仿真

3.1 振动能量拾取MEMS器件整体结构的设计

3.2 磁电式能量拾取方案设计

3.3 MEMS器件结构的有限元仿真分析

3.4 本章小结

第四章 复合振动能量拾取MEMS器件制造

4.1 振动能量拾取MEMS器件制造工艺设计

4.2 PZT压电薄膜的制备及其性能的表征

4.3 振动能量拾取MEMS器件加工工艺研究

4.4 本章小结

第五章 振动能量拾取MEMS器件性能的初步测试

5.1 振动能量拾取MEMS器件性能测试系统

5.2 振动能量拾取MEMS器件电压输出特性测试

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 论文的主要研究内容及结论

6.2 论文的主要创新点及贡献

6.3 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的研究成果

致谢