MEMS压电—磁电复合式微能源器件优化设计制造及其性能研究

【摘要】无线传感网络节点的供电问题是影响无线传感网络发展的重要因素，传统电池供电存在体积大、寿命短等问题，无法满足传感网络节点对高性能供电电源的要求。振动式能量采集微能源具有高能量密度、长寿命、无污染、较强环境适应能力、易实现微小型化等优势，有望为海量无线网络传感节点提供稳定、可靠的能源供应。本文研究的基于四悬臂梁-中心质量块基础结构MEMS压电-磁电复合式微能源器件可实现机械振动能-电能的转化，将压电发电与磁电发电两种能量转换方式相结合，提高了器件整体输出能量；采用的四悬臂梁-中心质量块基础结构谐振频率低，适于低频振动环境；通过分离悬臂梁上压电功能材料互异模态区域，实现压电敏感单元的串联形式以增大压电输出能量，提高了系统的总体能源密度与输出效率，为实现高输出能量密度的MEMS微能源器件设计拓展了新思路。本文揭示了振动驱动下压电材料机电转换效应及电磁能量转换机理；构建基于四悬臂梁-中心质量块基础结构的压电-磁电复合式微能源器件结构模型，分析PZT压电敏感单元尺寸参数与感应线圈尺寸参数对结构输出性能的影响，结合MEMS微加工工艺限制条件，对压电敏感单元和感应线圈进行了优化设计，并优化设计了微能源器件MEMS加工工艺流程和版图；采用溶胶-凝胶技术，实现了厚约2μmPZT压电薄膜与3英寸Pt（111）/Ti/SiO2/Si（100）基片的异质集成；突破微纳制造兼容关键技术，完成了四悬臂梁-中心质量块基础结构、感应线圈的加工、永久性磁铁与基础结构的二次集成，实现了基于四悬臂梁-中心质量块基础结构MEMS压电-磁电复合式微能源器件的可靠制造；搭建相应测试系统，测试分析了MEMS压电-磁电复合式微能源器件的输出性能。测试结果表明：微能源器件的谐振频率为8Hz，在频率8Hz、加速度6g振动条件下，压电开路输出电压峰-峰值可达94mV，单个压电敏感单元单位面积有效输出电压达2.4V/cm2，磁电开路输出电压峰-峰值可达8mV。
【作者】陈婷婷；
【导师】丑修建；
【作者基本信息】中北大学，物理电子学，2014，硕士
【关键词】振动；压电式；磁电式；MEMS；微能源；

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