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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。