基于mems的d31模式pzt能量收集器研究

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1、博±学位论文－ＭＥＭＰＺＴ基于Ｓ的ｄ３ｉ模式能量收集器研究作者陈晓洁指导教师邱成军教援＇＇／矿．ｙ：作．＇．苦＾１＇‘考气．：；＇．．．．麥？■－：营＇？黑龙江大学＾二〇—五年哈尔滨＞＾：．与—品＾．＾．．．ＴＩ苗、．．’．ｙ；ｒ，，禱？？＇？＾ＶＩ．一独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加ｙＡ标注和致谢的地方外，论文中不包含

2、其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙化大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。学位论文作者進名：签字日期；年月日学位论文版权使用授权书本人荒全了解黑龙江大学有关倪留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权黑龙江大学可将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可聚用影印。、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论义学位论文作者签名：导师签名；＾签字日期：年；年月日签字日期月日学位论文作者毕业后去向

3、：工作单位：电话：通讯地址：邮编：分类号UDC密级公开博士研究生学位论文基于MEMS的d31模式PZT能量收集器研究申请人:陈晓洁学号:1101597培养单位:电子工程学院学科专业:微电子学与固体电子学研究方向:功能材料与器件指导教师:邱成军教授完成日期:2015年9月28日基于MEMS的d31模式PZT能量收集器研究ResearchonPZTenergyharvesterwithd31modebasedonMEMS中文摘要利用能量收集技术将环境中的各类能量转换为电能，从而实现器件的自供能，这对功耗低至微瓦量级的无线传感网络节点

4、及便携式微电子产品的发展有着深远影响。在各类能量收集器中，压电式振动能量收集器，具有结构简单、与MEMS工艺的兼容性好、易于集成等优点，成为众多能量收集器中备受瞩目的一类，其研究前景十分广阔。本文在对压电能量收集器的研究进展进行分析与总结的基础上，提出了一种悬浮叉指悬臂梁式能量收集器的结构，研制出基于压电功能层与器件一体化制作的悬浮叉指悬臂梁式能量收集器。这一结构充分体现了器件所有部件MEMS一体化制备的设计思想。本文分别对悬浮叉指结构能量收集器的理论模型、影响能量收集器性能的压电功能层的制备工艺、悬浮叉指结构能量收集器的MEMS制备工艺等方面

5、进行深入的研究探讨。理论模型建立方面，在对现有在对压电能量收集器结构类型分析研究的基础上提出悬浮叉指压电悬臂梁结构，该结构由一个分立的底梁和一个顶梁及质量块构成。其中底梁和顶梁之间有一定的空隙间隔，分立的底梁由大小相同且相距一定距离的两个支撑梁组成，顶梁涂覆PNZT材料，底梁为硅材料。通过对比两种机电耦合工作模式，为提高输出电荷效率及简化工艺难度，本文确定了d31机电耦合工作模式。通过对建立的悬浮叉指结构能量收集器的机电耦合模型的分析，得到了悬浮叉指结构能量收集器的输出电压、功率、固有频率以及效率的理论公式，并讨论了能量收集器的结构参数对器件性

6、能的影响，为结构设计和实验研究提供了理论依据。压电功能层制备方面，在对传统压电薄膜材料PZT材料的性能进行讨论，对压电材料的设计方案、制备方法、材料配比、性能表征等进行了分析。根据上述分析，确定了通过在PZT配制过程中掺杂稀土元素铌的方法来提高压电薄膜的性能，得到高性能的PNZT压电薄膜材料，为薄膜一体化制备提供了实验依据。实验设计方面，制作了悬浮叉指结构能量收集器的原型机，搭建了测试系统并对原型机进行了测试。测试结果表明，在1.0g加速度条件下，测得原型机的I共振频率为376Hz，开路输出峰-峰值电压为25.9V。加负载的情况下，器件最大输出

7、电压为6.5V，最大输出功率29.5µW。原型机的设计为硅基MEMS悬浮叉指结构能量收集器样机制作提供了制作经验。在MEMS能量收集器制作方面，设计了硅基PNZT薄膜能量收集器的MEMS一体化制作工艺流程，制作了MEMS能量收集器样机，实现了悬浮叉指压电悬臂梁结构，达到了设计目标。最后采用自行搭建的测试系统，对制作的MEMS能量收集器样机进行了性能测试。结果表明器件固有频率实验值与理论值规律一致，数值比较吻合。测得样机的共振频率为9500Hz，开路输出峰-峰值电压为298mV。本文的研究工作为MEMS能量收集器的批量化制作提供了理论和实践探索。

8、关键词：MEMS；振动；能量收集器；d31模式IIAbstractEnergyharvestercanconverttheworkingenviron