環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)微型壓電發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著集成電路技術(shù)和微/納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)技術(shù)的不斷提高，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及便攜式微電子產(chǎn)品應(yīng)用越來越廣泛。目前，微器件的電源主要是化學(xué)電池，但隨著節(jié)點(diǎn)體積減小和使用數(shù)量迅速增加，更換大量的耗盡電池非常困難，研制長(zhǎng)壽命的微型化電源技術(shù)已經(jīng)成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。本文首先綜合分析了微電源技術(shù)的研究進(jìn)展，從能量的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換、工作原理等方面比較了傳統(tǒng)電源與新型電源的特點(diǎn)，提出研究環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型發(fā)電裝置。主要有三種能

2、量轉(zhuǎn)換形式可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境振動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換，即：壓電轉(zhuǎn)換、電磁轉(zhuǎn)換和靜電轉(zhuǎn)換。其中，壓電轉(zhuǎn)換具有能量密度高、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)壓電轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，本文主要研究環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電發(fā)電系統(tǒng)的理論計(jì)算、優(yōu)化分析、集成化制作工藝等關(guān)鍵技術(shù)，最后，對(duì)微型發(fā)電裝置的能量輸出性能做了測(cè)試分析。 利用環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電發(fā)電裝置研究需要考慮電源的能量輸出特性與環(huán)境振動(dòng)的關(guān)系。因此，本文首先建立了壓電發(fā)電系統(tǒng)從環(huán)境振動(dòng)能到電能轉(zhuǎn)換的

3、理論模型，利用數(shù)值計(jì)算分析了系統(tǒng)的能量輸出特性。分析結(jié)果表明在共振狀態(tài)下獲得輸出能量較大，當(dāng)系統(tǒng)的固有頻率偏離環(huán)境振動(dòng)頻率時(shí)，輸出電壓、功率等將會(huì)快速的降低。另外，利用本文的理論模型分析了壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和外部負(fù)載與輸出電量的功率關(guān)系等。 本文利用有限元模型中的壓電耦合模塊對(duì)微型硅基壓電發(fā)電裝置作了仿真分析，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輸出電壓的關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)硅基壓電懸臂梁的加工尺寸，提高能量轉(zhuǎn)換效率。仿真分析結(jié)果表明懸臂梁的長(zhǎng)度、

4、厚度和自由端質(zhì)量塊的大小對(duì)輸出電壓的影響最大，梁的寬度對(duì)輸出電壓的影響并不明顯；懸臂梁尺寸在2mm×0.4mm×10μm范圍的微型硅基壓電發(fā)電裝置輸出電壓達(dá)到0.02V左右。這些分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)測(cè)試研究都提供了重要參考。 本文針對(duì)硅基壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)微型發(fā)電裝置的微加工制作工藝進(jìn)行了研究，解決了微加工過程中壓電薄膜制備、電極圖形化、懸臂梁釋放等關(guān)鍵技術(shù)問題。首先，研究了PZT壓電薄膜的制備工藝與過程，主要包括溶膠前驅(qū)體的配

5、制、退火溫度控制等。經(jīng)反復(fù)的試驗(yàn)獲得了穩(wěn)定的前驅(qū)體溶膠，并最終確定PZT制備過程的階梯退火工藝，在Pt/Ti/SiO2/Si基底上制備了具有良好壓電性能的PZT薄膜結(jié)構(gòu)。其次，研究利用微加工工藝實(shí)現(xiàn)硅基PZT壓電發(fā)電裝置的集成化制作，分別利用光刻膠剝離和王水濕法腐蝕實(shí)現(xiàn)上下電極圖形化，懸臂梁的釋放結(jié)合了硅濕法腐蝕和離子刻蝕機(jī)(ICP)干法刻蝕技術(shù)，另外上電極保護(hù)層采用不定型PZT薄膜。以上研究保證了工藝的兼容性，體現(xiàn)在所有工藝步驟之間互

6、不影響，采用的干、濕法刻蝕技術(shù)和薄膜圖形化工藝等制作工藝與IC工藝和微加工工藝等兼容。本文確定的懸臂梁的制作工藝步驟簡(jiǎn)單，制作方便。 最后，本文對(duì)設(shè)計(jì)制作的兩種類型PZT壓電懸臂梁微型壓電發(fā)電裝置的原型樣機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試分析。以金屬彈性材料制作的微型壓電電源測(cè)試為主，分析了系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的能量輸出特性，其固有振動(dòng)頻率在100Hz左右共振時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓達(dá)到10V以上，對(duì)純電阻耗能元件的輸出功率可以達(dá)到100μW左右，硅微型壓電懸臂梁微