基于MEMS技术的压电能量采集器研究

被引量 : 30次 | 上传用户:aifuweimin
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
传感器/驱动器网络、嵌入式系统、RFID、无线通讯等技术发展迅速,这些技术的发展要求相应元器件的电能供应部件具有体积小、寿命长甚至无需更换、无人看管等特点。传统的电池显然不能满足要求。通过能量采集技术将器件工作环境中的振动能转换为电能以进行自采集供能是有效解决方案之一,其供能寿命极长、无需更换和维护。另外,结合MEMS技术制备相应的能量采集器,则可以将供能部件和电子元器件集成加工,降低整体结构的体积和生产成本,实现网络中各无线节点的微型化、集成化和自供能。本文围绕基于MEMS技术的压电能量采集器展开研究,利用材料的压电效应,将振动机械能转换为电能。论文的主要研究内容和结果如下:1.针对环境中振动源频率较低(低于1000Hz)的情况,提出了压电悬臂梁/质量块复合结构进行谐振式振动能量采集。结构主要包括悬臂梁支撑层、氧化硅介电层、上下电极包覆的PZT压电层,并在悬臂梁尖端添加金属质量块以降低结构固有频率。通过等效电阻尼的弹簧-振子模型和压电悬臂梁机电耦合模型分析了能量采集器输出性能与振动环境、结构参数的关系,结果表明,转换所得的电功率输出与振动加速度的平方、与结构质量成正比,电压输出与与振动加速度、压电层厚度、材料的压电常数等成正比。器件的电输出性能与所受的机械阻尼有关,当等效电阻尼与机械阻尼相等时,机械能向电能的转换值最大。2.利用有限元软件ANSYS,分析悬臂梁各层及质量块的长、宽、厚等参数对结构固有频率、压电电压输出和应力分布的影响,并采用PSpice等效电路模型分析了器件对外负载的电压和电功率输出特征。根据模拟结果,选择压电悬臂梁结构参数设计范围为:悬臂梁长L,2000~3500μm;宽度W,500~1000μm之间;硅层厚8~15μm;质量块长度在1/6L~2/3 L间;PZT有效长度,1/5~1L;PZT膜越厚越好,至少1μm。在此结构范围内,器件的谐振频率在100~1000Hz间,压电电压输出0.2V以上,而且结构能保持较好的稳定性。所选尺寸范围内的器件内阻抗约在10K~100KΩ之间,当选择合适的外阻匹配时,器件的输出功率达μW量级。3.利用MEMS工艺对所设计的器件结构进行加工,所涉及的工艺主要包括Sol-gel制备PZT膜、电极溅射、光刻图形化、各功能层刻蚀、基于UV-LIGA的SU8胶技术、微电铸等工艺。探讨了具体工艺参数选择,并提出了工艺控制和改进方案。4.采用了包括波形发生器、功率放大器、振动台、加速度计、示波器、位移传感器等在内的测试系统,对所加工的器件进行性能测试,对谐振频率、电压、功率、尖端位移、整流及电容存储实验等进行测量和分析。并与理论分析和模拟仿真有关结果进行对比,结果表明理论、模拟和实验所得规律一致,数值比较吻合。根据实验测试得到最佳的悬臂梁单元器件性能为:谐振频率229Hz,在0.5g振动源的激励下电压输出交流峰-峰值可达3.93V,直流1.57V,最大功率2.55μW,功率密度约625μW/cm3。5.在悬臂梁结构单元器件基础上,通过PZT厚度、有效长度调整以及单元器件串并联等措施,研究了器件的电输出性能提高方案。初步提出采用多自由度的多谐振频率结构提高器件的有效频率宽度、采用梯形或三角形悬臂梁结构提高压电电压和电功率输出,为优化结构以提高器件的性能打下一定基础。根据最佳单元器件的性能值,探讨了在半主动式RFID标签及低负载周期器件上的应用可行性,表明本文研究的压电能量采集器有希望应用于对低功耗电子元器件供电。
其他文献
实验,是指根据一定目的,运用必要的手段,在人为控制的条件下,观察研究事物的实践活动。侦查实验是实验在侦查领域中的运用。从纵向上看,在中国古代就有“张举烧猪”等经典案例作为
识字教学是小学语文教学的重要组成部分,是阅读教学和作文教学的基础,识字教学在小学语文教学中有举足轻重的作用。小学学年跨度大,每个学段字词教学的重点必然不同。本文针
目的:探讨可调式支具在肘关节周围损伤术后康复锻炼中的应用方法及临床疗效。方法:2011年1月~2012年12月,在我院骨科行肘关节周围韧带损伤(包括肘关节脱位和关节周围骨折伴韧
会议
近年来随着我国经济的持续增长,旅游业与房地产业已成为第三产业中附加值高、关联性很强的产业。一方面,旅游消费开始从观光型向休闲度假型转变;另一方面,传统住宅开发开始向舒适
长航集团是全国最大的内河航运集团,在长江运输市场中有很高的占有率。但是由于巨额债务负担,导致企业亏损严重,发展乏力。本论文针对长航集团的现状,深入分析其债务成因,结合国家
随着社会群体间的贫富差距不断扩大,社会中的流浪乞讨人员的数量也呈现不断上升的趋势。乞讨人员由原来的“求生型”转变为“求富型”的现象严重,这一现象催生了组织残疾人、
把多媒体技术科学、合理而又巧妙地运用于生物教学之中,不仅可以使得教学活动视听化和形声化,而且在"活化"教材的同时,能够突出课堂教学的直观性和生动性,具有无可比拟的使用
五人制足球运动自诞生之日起,便以自身的魅力为足球运动在全球的进一步的发展做出了重要贡献。巴西足球拥有众多的足球人口,能不断地培养出众多世界级足球巨星贝利、罗纳尔多
通过采用工程计算方法求解高超声速飞行器碳-碳复合材料分别在气动热、激光单独作用以及气动热/激光耦合作用下的热化学烧蚀。计算分析表明:激光单独作用下,碳-碳复合材料的烧
整训,是人民军队发展壮大的营养剂。中央苏区红军在党的正确领导下,把握战火纷飞的间隙进行整训,纠正错误思想,加强组织建设,开展宣传教育,提高军政素质,为夺取中国革命战争