低頻響應壓電-電磁復合式能量采集器設(shè)計制造研究.pdf

1、無線傳感網(wǎng)絡、埋植監(jiān)測系統(tǒng)、便攜式電子設(shè)備及惡劣環(huán)境工作微器件的能量供給問題日益凸顯，傳統(tǒng)的供電電池存在體積大、壽命短、環(huán)境適應性差、儲能有限、需要經(jīng)常更換、且更換過程復雜或者有線供電等缺點，已無法滿足該類系統(tǒng)的自供電需求。提出一種將振動機械能高效轉(zhuǎn)換為電能的壓電-電磁復合式振動能量采集器，對自供電技術(shù)的發(fā)展具有重要的科學意義。
　　設(shè)計PZT基四螺旋梁、濺射Au線圈的質(zhì)量塊、Nd2Fe14B磁體為器件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，當環(huán)境激勵器件振動

2、時，質(zhì)量塊帶動四根螺旋狀懸臂梁運動，其上制備的PZT壓電薄膜層發(fā)生形變，壓電層上下表面產(chǎn)生電勢差，經(jīng)上下電極引出收集壓電電能；同時質(zhì)量塊帶動Au線圈運動，切割Nd2Fe14B磁體的磁感線，通過線圈的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應電動勢，經(jīng)線圈兩端電極引出收集電磁電能。壓電模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以有效降低器件諧振頻率，模態(tài)分析其固有頻率為163.6 Hz，適應于低頻振動環(huán)境；加之磁感應線圈及Nd2Fe14B磁體的集成設(shè)計，為實現(xiàn)低頻率響應、高電能輸出

3、復合式能量采集器件的研究提供了新思路。
　　通過對壓電、電磁發(fā)電機理的理論分析研究，選取機電耦合系數(shù)高、壓電常數(shù)高、制造工藝成熟的PZT壓電薄膜作為壓電材料，剩磁高、矯頑力大、最大磁能積高的Nd2Fe14B作為永磁材料，電阻率較小、穩(wěn)定性良好的Au作為線圈材料。經(jīng)仿真分析及理論計算，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計器件制造技術(shù)路線及相應加工光刻版。研究不同批次制備的PZT膠體及退火后冷卻過程對基片薄膜的影響，采用sol-gel技術(shù)制得表面均勻致