兩端固支梁壓電振動能量收集器的研究.pdf

1、隨著微型電子設備對供能條件的要求越來越苛刻，壓電振動能量收集技術在物聯(lián)網、不可拆卸電子設備和便攜式電子產品等系統(tǒng)的供能上得到了廣泛關注。壓電振動能量收集技術研究的核心在于保證匹配工作環(huán)境振動頻率的基礎上提高電能的輸出。在眾多采用 MEMS工藝制作的微型壓電振動能量收集器中，利用增大尺寸和新型結構設計可以提高能量收集器的輸出電壓。于是許多國內外學者開始關注厘米級新型結構的 MEMS工藝制作及其厘米級新型結構的電壓輸出性能和振動特性。

2、>　　本文基于壓電振動能量收集技術，設計了一種厘米級兩端固支梁結構的能量收集器，研究了兩端固支梁結構力學性能和振動特性，導出了兩端固支梁結構應力和一階固有頻率的優(yōu)化方法。利用ANSYS仿真軟件進行了懸臂梁和兩端固支梁結構的應力和一階固有頻率的對比分析，并對器件進行了前四階模態(tài)的分析。采用 MEMS工藝完成器件的制作，并對PZT薄膜進行了性能的測試，對器件進行了靜態(tài)、動態(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）分析結果表明，PZT薄膜完全轉化為鈣鈦礦組織；原子力顯微鏡（AFM）測試結果表明，PZT薄膜晶粒的平均直徑為54.21nm，平均高度為0.679nm；四探針半導體參數(shù)測量儀測試結果表明，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，相對介電常數(shù)變化范圍是1525~

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