基于电化学微细加工的MEMS能量采集器研究

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1、学校代码：10270分类号：O61学号：152200722硕士学位论文基于电化学微细加工的MEMS能量采集器研究学院：生命与环境科学学院专业：无机化学研究方向：电化学微细加工技术研究生姓名：李柯利校内导师：周治国联培单位：中国科学院上海微系统与信息技术研究所联培导师：李昕欣完成日期：2018年3月上海师范大学硕士学位论文摘要论文题目：基于电化学微细加工的MEMS能量采集器研究学科专业：无机化学学位申请人：李柯利指导教师：周治国副教授李昕欣研究员摘要随着物联网技术和可穿戴设备的飞速发展，能量采集技术受到越来越多的关注。环境中机械能的普

2、遍存在，使能量采集器收集振动能量及人体运动能量成为可能。然而，无论环境中的振动还是人体运动都在低频范围内，现有的振动能量采集器和柔性可穿戴能量采集器在低频环境中发电效率很低且发电不稳定，不能满足为电子器件持续供电的要求。因此，研究出在低频环境中仍可稳定发电的能量采集器非常有必要。此外，随着电化学微细加工工艺的逐渐成熟，将其运用到能量采集器的制作中成为目前能量采集器的研究热点之一。本论文研究基于电化学微细加工的MEMS能量采集器，采用电化学微细加工工艺制作金属微悬臂梁，并在此基础上制作了针对低频宽频带环境振动的能量采集器和针对低频人体

3、运动的柔性可穿戴能量采集器。本论文首先对电化学微细加工工艺进行研究，包括电镀工艺条件的选择、电镀工艺流程及电镀条件，单晶硅腐蚀工艺等。其中工艺重难点是：（1）通过调整工艺参数，实现具有高深宽比结构的胶膜制作；（2）通过理论计算与实验验证相结合，有效控制电镀金属层的厚度。采用电化学微细加工工艺制作出的镍悬臂梁结构微小、精度高且柔韧性好、可承受大位移振动，克服了传统硅悬臂梁脆性较大的缺点，实现了精细加工和批量化生产。针对低频的人体运动环境，本论文创新地提出并发展了一种柔性可穿戴能量采集器，在低频条件下仍有稳定的电能输出。该能量采集器将电

4、化学微细加工的镍悬臂梁与压电薄膜集成并粘贴在柔性衬底上，通过悬臂梁与衬底磁铁之间的磁力作用，将低频的人体肢体运动上变频转换成压电悬臂梁的高频谐振发电，从而有效地产生稳定的电能。在肢体运动过程中，柔性衬底被拉伸和回弹，导致悬臂梁反复与磁铁释放与吸合从而激发压电悬臂梁共振。由于柔性衬底的横向拉伸对悬臂梁的垂直谐振发电的影响很小，因此在从亚赫兹到几赫兹的关节运动频率范围内采集器均能产生稳定电能。该能量采集器在0.5Hz至5.0Hz频率范围内进行拉伸循环实验，其单个周期产生的电能均稳定在0.56μJ至0.69μJ左右，可用I摘要上海师范大学

5、硕士学位论文于给可穿戴电子产品、医疗设备等供电。本文通过人体演示进行实验验证，将两个该能量采集器分别佩戴在人体肘部和膝盖并在典型低频肢体运动（如下蹲、走路、慢跑和快跑）下，始终可以产生相当大的功率，其峰峰值电压始终稳定在4.0V左右。很好地验证了该柔性可穿戴能量采集器的稳定发电功能。此外，该能量采集器可用于自供能自感知计步器实现精确记录人体行走步数。针对低频宽频带的环境振动，本论文提出对振动阈值自感知的宽频带能量采集器。结合机加工的方法，制作出基于铜衬底的能量采集器原理样机。该器件实现了在8Hz~34Hz的频率范围内都具有稳定的阈值

6、，并可通过对悬臂梁上质量块的设置对阈值进行精确调节。原理样机测试证明原理可行，可应用于振动环境监测、安全防护等。综上所述，本论文对电化学微细加工工艺进行研究，并在此基础上制作出在低频人体运动条件下可稳定发电的柔性可穿戴能量采集器，以及针对低频宽频带振动环境的宽频带能量采集器。关键词：能量采集器；电化学微细加工；柔性可穿戴；低频宽频带环境振动IIShanghaiNormalUniversityMasterofScienceAbstractAbstractWiththerapiddevelopmentofInternetofThings

7、technologyandwearabledevices,energyharvestingtechnologyhasattractedmoreandmoreattention.Themechanicalenergyintheenvironmentmakesitpossibleforcollectingvibrationalenergyandhumanmotionenergy.However,bothofthevibrationintheenvironmentandthemovementofthehumanbodyareinthelo

8、wfrequencyrange,theexistingvibrationenergyharvesterandtheflexiblewearableenergyharvesterhavelowpowergenerationefficie