低頻環(huán)境中d15模式層合結(jié)構(gòu)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(jīng)達(dá)到微瓦級，從自然環(huán)境中獲取能量并轉(zhuǎn)換為電能為微電子設(shè)備供電成為研究熱點。壓電懸臂梁俘能裝置具有結(jié)構(gòu)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(lǐng)域備受關(guān)注。壓電材料的壓電系數(shù)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(guān)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(shè)計的一個重要因數(shù)。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(shù) d15的PZT-51材料并確定材料的各個參數(shù)，基于單自由度模型建立串聯(lián)層合結(jié)構(gòu)和并聯(lián)層合結(jié)構(gòu) d15模式懸臂梁模型。同時利用 ANSYS有限元軟件模擬分析串聯(lián)層

3、合結(jié)構(gòu)和并聯(lián)層合結(jié)構(gòu) d15模式懸臂梁在部同條件下的俘能性能。理論計算結(jié)果和有限元分析的結(jié)果很好的吻合，其意味著通過懸臂梁結(jié)構(gòu)理論和有限元分析方法對d15模式層合結(jié)構(gòu)懸臂梁俘能分析提供參考。
　　2.制備串聯(lián)層合結(jié)構(gòu)和并聯(lián)層合結(jié)構(gòu)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(guān)系，以及不同負(fù)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(lián)結(jié)構(gòu)壓電雙晶片懸臂梁輸出電壓隨振動激勵電壓的

4、變化關(guān)系。串聯(lián)層合結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果、理論模擬結(jié)果和實驗結(jié)果與并聯(lián)層合結(jié)構(gòu)相應(yīng)結(jié)果進行對比，表明串聯(lián)結(jié)構(gòu)懸臂梁在高阻值負(fù)載時輸出電壓更大而并聯(lián)結(jié)構(gòu)懸臂梁在低阻值負(fù)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(shè)計提供指導(dǎo)。
　　3.為了研究壓電層厚度對層合結(jié)構(gòu)懸臂梁俘能性能影響，設(shè)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(lián)層合結(jié)構(gòu)壓電懸臂梁俘能實驗裝置，測量