硅基mems压电式振动能量采集器设计制造及其性能研究

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1、图书分类号TN384密级非密注1UDC621.3硕士学位论文硅基MEMS压电式振动能量采集器设计制造及其性能研究杨杰指导教师（姓名、职称）丑修建（教授）申请学位级别工学硕士专业名称微电子学与固体电子学论文提交日期2015年6月1日论文答辩日期2015年5月23日学位授予日期年月日论文评阅人李朋伟（副教授）唐军（副教授）答辩委员会主席肖连团（教授）2015年6月1日注1：注明《国际十进分类法UDC》的分类中北大学学位论文硅基MEMS压电式振动能量采集器设计制造及其性能研究摘要MEMS振动能量采集器具有体积小、

2、灵敏度高、可实现微小型化制造、寿命长、环境适应性强、能量密度和转换效率高等特点，它可以通过机械振动能量拾取装置将环境中普遍存在的振动能转换成电能，进而有望全天候地为无线传感器网络节点、野外和植入结构的微系统、各种低功耗电子元件等提供电能。MEMS振动能量采集器有力地推进了低碳经济、清洁能源的发展，已成为微能源技术领域的一个重要发展方向，在MEMS技术发展中具有重要的里程碑意义，对其进行的相关研究工作极具科学意义和发展前景。本文创新性地设计了一种低频压电d31模式的八悬臂梁-中心质量块结构MEMS振动能量采集

3、器，实现将环境中的振动能量向电性能的转换。在每个悬臂梁上都异质集成制备PZT压电功能厚膜层，将所加工制造成的16个PZT压电敏感单元相串联增加了压电发电能量，提高了系统的总体输出电压、机电转化效率、输出功率及输出功率密度；同时，八悬臂梁-中心质量块结构的一阶谐振频率较低，与环境机械振动极易产生共振，更易于产生高密度的电能量。本文硅基MEMS压电式振动能量采集器的研究工作为可再生微能源研究提供了一种新的思路。本文揭示振动驱动下PZT压电功能材料的机电转换效应机理；构建八悬臂梁-中心质量块基础结构压电式力-电转

4、化模型，通过理论计算及MATLAB软件分析器件八悬臂梁-中心质量块微结构的力学行为，利用有限元仿真分析软件ANSYS对八悬臂梁-中心质量块微结构进行静力学仿真分析、模态仿真分析以及谐响应仿真分析，揭示器件结构与一阶谐振频率之间的依赖关系，结合MEMS加工制造工艺限制条件，得到器件微结构的最优尺寸；采用Sol-Gel工艺实现硅基PZT压电厚膜膜的异质集成制造，获得的PZT压电功能厚膜层的高度为3.5μm；结合湿法腐蚀、磁控溅射、干法刻蚀、光刻、剥离等MEMS工艺技术，完成器件基础微结构的设计与MEMS加工制造

5、；利用表面键合、引线键合等器件封装技术完成压电式振动能量采集器的集成封装工作；自主搭建振动测试系统，模拟周围环境中的机械振动，对封装好的器件进行输出电性能的测试与分析。测试结果表明：DeviceA/DeviceB的一阶谐振频率为16Hz/41Hz、加速度激励为3.0g时，振动能量采集器件的输出电压峰-峰值达到最大166.4mVP-P/264.00mVP-P。在器件两端加中北大学学位论文-2-2载1.20MΩ/3.00MΩ的负载时最大输出功率为73.05×10nW/71.85×10nW，输出功率-3-3密度为

6、37.27nW×cm/36.66nW×cm，PZT压电敏感单元有效面积下的输出功率密度为-2-230.44nW×cm/14.97nW×cm。该低频响应、高能量密度输出MEMS压电式振动能量采集器的研究工作为解决无线传感网络节点供电问题奠定理论和技术基础。关键词：压电式，MEMS，振动，能量采集技术，输出性能中北大学学位论文Design,ManufactureandPerformanceofMEMSVibrationEnergyHarvestersBasedonPiezoelectricEffectonSil

7、iconAbstractTheMEMSvibrationenergyharvestershavethecharactersofsmallvolume,highsensitivity,longlife,strongenvironmentadaptation,highenergydensityandefficiencyofandenergyconversionandcanbeachievedbytheminiaturizationmanufacturing.Ittransformsmechanicalvibra

8、tionenergywhichisacommonformofenergyinnatureintoelectricalenergyandisexpectedtoprovidehighreliability,longelectricityforthewirelesssensornetwork,themicro-systeminthefieldandpostingstructure,low-powerelectroni