基于MEMS的压电和摩擦电能量采集器的设计、加工与测试

摘要

近年来，无线传感网，可穿戴设备和可植入式医疗设备等无线低功率设备正在处于快速发展的阶段，但是要得以广泛应用，存在着技术上的难题，其中一个问题就是如何为这些设备节点供电。目前无线传感器网络节点、可穿戴设备和可植入式医疗设备的主要使用化学电池作为电量供应装置。虽然这些化学电池的能量密度和使用寿命得到了很大的提升，但是其存储的电量终究是会用光的。考虑到这些传感器节点或者可植入式设备的工作环境的恶劣性，对其进行电池的更换几乎是不可能。如果能从这些设备的工作环境中采集能量给其供电，就能形成自治系统。因此能量采集技术得到了越来越多的研究者关注。　　本文提出了一种悬臂梁结构的压电式振动能量采集器，它的基本工作原理是基于压电材料的压电效应，在外界振动源的激励下，器件中的压电层中产生了应力和应变导致其内部发生极化现象，同时在压电层的两个相对表面上出现正负相反的电荷，由此形成了电信号。随着集成电路和电子器件的微型化，MEMS制造技术越来越多的被用于能量采集器的制备。微型化的压电式振动能量采集器具有结构设计简单、输出功率密度较高、MEMS加工工艺比较成熟等优点。本文提出的压电式振动能量采集器在1 g的加速度振源激励下，谐振频率为523 Hz，此时输出电压为9.2 V，器件的最大输出功率为57.6μW；在0.5 g的加速度振源激励下，谐振频率为528 Hz，此时输出电压为5.32 V，器件的最大输出功率为20.2μW。　　本文提出了一种基于PDMS和PDMS/MWCNT的摩擦电纳米发电机。在内部的发电单元，由于两层薄膜间表现出相反的摩擦电极性发生电荷转移，造成两层之间的电势差；在外部负载中，电子被驱动在附着于薄膜背部的两个电极之间流动，以平衡电势差。本文制备的10wt%摩擦电纳米发电机样机的最大输出功率为130μW，而2wt%摩擦电纳米发电机样机的最大输出功率为120μW。而二者的内在电阻分别为6 MΩ和8.5 MΩ。这表明具有较高的浓度多壁碳纳米管的摩擦电纳米发电机原型具有较好的输出性能和较低的内在电阻。　　本文提出了一种基于压电和摩擦电耦合机制的能量采集器。该耦合机制的能量采集器由压电和摩擦电两个部分组成，在实际工作的时候，能够同时输出压电信号和摩擦电信号。摩擦电部分由 PDMS和PDMS/MWCNT构成，压电部分是由PVDF聚合物构成。这是一种具有较好柔性和生物兼容性的新型能量采集器。该能量采集器在5 Hz的外界施加压力下，能够产生30 V和6 V的摩擦电和压电输出电压。在15 MΩ的外界负载下，摩擦电最大输出功率为3.4μW，在1 MΩ的外界负载下，压电最大输出功率为0.12μW。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2压电式振动能量采集器

1.3摩擦电纳米发电机

1.4本课题的研究背景和主要研究内容

第二章 能量采集器的理论分析

2.1压电式悬臂梁振动能量采集器的理论分析

2.2摩擦电纳米发电机的理论分析

2.3本章小结

第三章 能量采集器的制备工艺

3.1压电式振动能量采集器的制备关键加工工艺

3.2压电与摩擦电耦合机制能量采集器的关键加工工艺

3.3本章小结

第四章 压电与摩擦电能量采集器的性能检测

4.1压电式振动能量采集器的性能检测

4.2摩擦电纳米发电机的性能检测

4.3压电与摩擦电耦合机制的能量采集器

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文