基于PZT壓電薄膜的MEMS振動能量收集器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn).pdf

1、近年來，隨著集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)的快速發(fā)展，超低功耗電子設(shè)備（如無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、便攜式電子產(chǎn)品）得到廣泛的應(yīng)用。但是，這些微電子器件和系統(tǒng)通常采用化學(xué)電池供電，存在壽命短、需要再充電等問題?；诃h(huán)境能量獲取與轉(zhuǎn)換的微能源器件能夠源源不斷地收集環(huán)境中的能量并轉(zhuǎn)化為電能，具有壽命長、體積小、成本低、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，是解決微電子器件與系統(tǒng)長期供電問題的有效途徑，是微能源領(lǐng)域重要的研究方向。論文針對微型壓電振動能量收集器輸出電壓低等問

2、題，開展硅基MEMS壓電懸臂梁陣列振動能量收集器的研究，具有十分重要的科學(xué)意義與迫切的應(yīng)用需求。
　　論文提出了一種基于PZT壓電薄膜的共質(zhì)量塊懸臂梁陣列MEMS壓電懸臂梁振動能量收集器新結(jié)構(gòu)；基于集總參數(shù)模型，分析了影響能量收集器輸出性能的關(guān)鍵參數(shù)；基于有限元分析軟件ANSYS對MEMS壓電懸臂梁陣列振動能量收集器進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，優(yōu)化了MEMS壓電懸臂梁陣列振動能量收集器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；制定了MEMS壓電懸臂梁陣列振動能

3、量收集器加工工藝流程，完成了能量收集器掩膜版版圖設(shè)計(jì)，研制出原理樣機(jī)；開展了樣機(jī)的性能測試與分析：在1g加速度，239.7Hz諧振頻率激勵(lì)下，樣機(jī)輸出開路電壓為9.16V；外接最優(yōu)化負(fù)載200kΩ時(shí)，負(fù)載輸出電壓為5.51V，輸出功率為151.8μW。測試結(jié)果表明，論文研制的基于PZT薄膜的MEMS壓電懸臂梁陣列振動能量收集器樣機(jī)有效提高了能量收集器的輸出電壓，使其同時(shí)具有高電壓輸出和高功率輸出的性能，基本滿足了某些實(shí)際應(yīng)用需求。

4、>　　論文的主要研究工作是：
　　①分析研究了微型壓電懸臂梁振動能量收集器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在的科學(xué)與技術(shù)問題，確定本文的研究目的和研究內(nèi)容；
　?、陉U述了微型壓電懸臂梁振動能量收集器的基本工作原理，提出了共質(zhì)量塊懸臂梁陣列壓電振動能量收集器新結(jié)構(gòu)，基于微型壓電懸臂梁振動能量收集器的集總參數(shù)理論模型研究了影響能量收集器輸出性能的關(guān)鍵參數(shù)；
　?、鄄捎糜邢拊治鲕浖嗀NSYS對MEMS壓電懸臂梁陣列振動能量收集器進(jìn)行了

5、模態(tài)和諧響應(yīng)分析，研究了MEMS壓電懸臂梁振動能量收集器輸出性能隨結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)變化的規(guī)律，綜合考慮仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室工藝條件，確定了MEMS壓電懸臂梁陣列振動能量收集器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
　?、苤贫薓EMS壓電懸臂梁陣列振動能量收集器的加工工藝流程，采用L-edit軟件完成了光刻掩膜版版圖設(shè)計(jì)，研制了原理樣機(jī)；
　?、轀y試分析原理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)；搭建了能量收集器性能測試分析平臺，完成了樣機(jī)的性能測試與分析，1g加速度，239.