兩端固支梁壓電振動(dòng)能量收集器的研究.pdf

1、隨著微型電子設(shè)備對(duì)供能條件的要求越來越苛刻，壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)、不可拆卸電子設(shè)備和便攜式電子產(chǎn)品等系統(tǒng)的供能上得到了廣泛關(guān)注。壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)研究的核心在于保證匹配工作環(huán)境振動(dòng)頻率的基礎(chǔ)上提高電能的輸出。在眾多采用 MEMS工藝制作的微型壓電振動(dòng)能量收集器中，利用增大尺寸和新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高能量收集器的輸出電壓。于是許多國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注厘米級(jí)新型結(jié)構(gòu)的 MEMS工藝制作及其厘米級(jí)新型結(jié)構(gòu)的電壓輸出性能和振動(dòng)特性。

2、>　　本文基于壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種厘米級(jí)兩端固支梁結(jié)構(gòu)的能量收集器，研究了兩端固支梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和振動(dòng)特性，導(dǎo)出了兩端固支梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力和一階固有頻率的優(yōu)化方法。利用ANSYS仿真軟件進(jìn)行了懸臂梁和兩端固支梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和一階固有頻率的對(duì)比分析，并對(duì)器件進(jìn)行了前四階模態(tài)的分析。采用 MEMS工藝完成器件的制作，并對(duì)PZT薄膜進(jìn)行了性能的測試，對(duì)器件進(jìn)行了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能和輸出性能等方面的測試。
　　PZT薄膜的X射線衍射（XR

3、D）分析結(jié)果表明，PZT薄膜完全轉(zhuǎn)化為鈣鈦礦組織；原子力顯微鏡（AFM）測試結(jié)果表明，PZT薄膜晶粒的平均直徑為54.21nm，平均高度為0.679nm；四探針半導(dǎo)體參數(shù)測量儀測試結(jié)果表明，在0~30V電壓作用下，漏電流始終小于4.18nA； LCR測試儀測試結(jié)果表明，在頻率為50~104Hz，大小為1V的正弦電壓作用下，電容值的變化范圍是18.1nF~21.3nF，介電損耗變化范圍是0.02~0.06，相對(duì)介電常數(shù)變化范圍是1525~

4、1793；鐵電性能測試結(jié)果表明，PZT薄膜的剩余極化強(qiáng)度Pr=10.691μC/cm2，矯頑電場強(qiáng)度Ec=20.556KV/cm。
　　器件的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能和輸出性能測試結(jié)果表明，器件的振動(dòng)會(huì)表現(xiàn)出非線性（硬特性）的特征。器件的阻尼比ζ=0.0157。在不同振動(dòng)強(qiáng)度下，1號(hào)梁的開環(huán)輸出性能測試結(jié)果表明，振動(dòng)強(qiáng)度越大，器件的開路峰值電壓越大，工作帶寬也越大，當(dāng)實(shí)際激振加速度為6.84m/s2時(shí)，其開路峰值電壓的最大值為94mV，-3