基于柔性衬底的mems压电能量收集器件研究

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1、万方数据复旦大学硕士学位论文目录0IllIIIIIIIInlUlIIIIIl一．Y2墨鱼341垃摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1Abstract⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯．．．．⋯．．．．．．⋯．⋯．．．⋯⋯．．⋯．⋯．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯：!前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1第一章压电能量收集器件的基本原理与发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一31

2、．1压电材料和压电能量收集器件的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31．2典型压电能量收集器件原理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51．2．1基于PZT的压电悬臂梁结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61．212基于ZnO的纳米线结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．81．2．3基于P(VDF-TrFE)I均纳米纤维结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯111．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12第二章典型压电能量收集器件的有限元仿真测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

3、⋯142．1垂直纳米线阵列发电机(VING)I拘有限元仿真测试Fg]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯142．2压电悬臂梁结构的有限元仿真测试网⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．192．3基于P(VDF-TrFE)薄膜的压电能量转化器件的瞬态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．212．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．28第三章压电能量转换性能测试系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．293．1压电能量转换性能测试系统的总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯293．2机械控制与驱动系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

4、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯323．3压电能量转换性能测试系统的具体实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯363．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38第四章压电能量收集器件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯394．1P(VDF-TrFE)压电能量收集器件的设计与制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．394．2P(VDF-TrFE)薄膜的物理性质测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯434．2．1铁电性质测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯434．2．2X射线衍射XRD分析⋯

5、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯444．2_3傅里叶转换红外线光谱(FTlR)分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯454．3P(VDF·TrFE)薄膜器件的压电能量转化性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．46万方数据复旦大学硕士学位论文4．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51第五章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．52参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯54致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

6、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．622万方数据复旦大学硕士学位论文摘要随着无线网络与传感器(MEMS)技术应用的蓬勃兴起，微纳系统的供电问题正成为制约MEMS技术发展的一大瓶颈，如何从环境中收集能量以对微纳系统进行供电正成为日益受到瞩目的研究热点。本文的主要内容如下：本文首先通过回顾压电效应的物理机制，研究了现有的几种较为成熟的压电能量收集器件的工作原理，并指出了各自器件的特点。本文通过ComsolMultiphysics软件，使用了有限元仿真的方法，分别对基于ZnO的纳米线阵列结构、基于PZT的悬臂梁结构和

7、基于P(VDF-TrFE)薄膜的压电能量收集器件在各种条件下进行了模拟测试，从理论上定量考察了这几种结构的压电能量转换效果。接下来，本文设计了一套完整的压电能量转换性能测试系统。选择了滑台和步进电机，自行设计了控制电路，并创造性地与现有的探针台、半导体分析仪结合，实现了在不同频率下对样品提供不同大小的应变，并能在同步测试中实时获取输出的电信号。最后，本文设计了基于P(VDF．TrFE)材料和Kapton柔性衬底的压电能量收集器件，对其物理性质进行了一系列测试以验证P(VDF-TrFE)材料中13相的

8、存在，并采用上述系统对器件在不同条件下的能量转换性能进行了一系列测试，结果表明：在低频条件下，1，同一器件在相同频率的外部形变作用下产生的开路电压和短路电流随着形变的增大而增大；2，同一器件在相同大小的外部应力作用下，产生的开路电压和短路电流随着所施加应力的增大而增大；3，在相同大小、相同频率的外部应力作用之下，不同尺寸的器件中所产生的开路电压基本在同一数量级，而短路电流则随着器件尺寸的增大而增大。最后，本文计算了各尺寸样品的压电能量转换系数，结果显示，基于P(VDF