低頻環(huán)境中d15模式層合結構懸臂梁俘能性能.pdf

1、超大規(guī)模集成電路和微機電系統(tǒng)的加速發(fā)展促使電子器件的尺寸不斷縮小功耗逐步降低。一些微電子器件如無線傳感器功耗已經達到微瓦級，從自然環(huán)境中獲取能量并轉換為電能為微電子設備供電成為研究熱點。壓電懸臂梁俘能裝置具有結構相對簡單、抗電磁干擾、發(fā)熱少、易于加工制作等顯著特點在俘能領域備受關注。壓電材料的壓電系數越高，在相同條件下俘能器的輸出功率和輸出電壓越高，一些材料如鋯鈦酸鉛(PZT)、鈮鎂酸鉛(PMN)滿足d15>d33>d31這一關系。因此

2、d15模式壓電俘能器有望提高俘能器的性能。自然環(huán)境中振動源的振動頻率主要集中在20~200Hz，俘獲環(huán)境中的低頻振動能成為器件設計的一個重要因數。本文通過有限元方法，理論模擬和實驗分析了d15模式懸臂梁壓電俘能器的性能，我們研究工作如下：
　　1.選擇具有較大剪切壓電系數 d15的PZT-51材料并確定材料的各個參數，基于單自由度模型建立串聯層合結構和并聯層合結構 d15模式懸臂梁模型。同時利用 ANSYS有限元軟件模擬分析串聯層

3、合結構和并聯層合結構 d15模式懸臂梁在部同條件下的俘能性能。理論計算結果和有限元分析的結果很好的吻合，其意味著通過懸臂梁結構理論和有限元分析方法對d15模式層合結構懸臂梁俘能分析提供參考。
　　2.制備串聯層合結構和并聯層合結構d15模式PZT-51壓電懸臂梁俘能實驗裝置。測量輸出電壓和輸出功率隨頻率和電阻的變化關系，以及不同負載電阻下的共振瞬時輸出電壓，另外還測量了共振頻率下，串并聯結構壓電雙晶片懸臂梁輸出電壓隨振動激勵電壓的

4、變化關系。串聯層合結構的有限元分析結果、理論模擬結果和實驗結果與并聯層合結構相應結果進行對比，表明串聯結構懸臂梁在高阻值負載時輸出電壓更大而并聯結構懸臂梁在低阻值負載時具有更高的輸出電流，希望這些工作對懸臂梁俘能器俘能性能的優(yōu)化設計提供指導。
　　3.為了研究壓電層厚度對層合結構懸臂梁俘能性能影響，設計并制作了壓電層厚度分別為0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm的d15模式串聯層合結構壓電懸臂梁俘能實驗裝置，測量