（微电子学与固体电子学专业论文）基于mems技术的微型电源的研究.pdf

硕士论文 基于m e m s 技术的微型电源的研究 摘要 随着m e m s 技术的迅速发展，人们制造出许多的m e m s 器件，但是如何给m e m s 器件提供电能成为目前亟待解决的问题。因为传统的电源结构尺寸大、使用寿命短、难 以集成到m e m s 器件中，所以对于结构微型化、使用寿命长的电源的研究开发是很有 必要的。 本文来源于单兵生命参数监测系统项目，围绕基于m e m s 技术的压电式微型振动 发电装置展开研究。首先分析了器件的工作原理：即利用p z t 压电材料的压电效应，将 振动环境中的机械能转化为电能，为m e m s 器件提供电能；接着根据材料力学、振动 理论和压电理论对该器件的振动特性和电能输出特性分别进行简单的推导；然后利用有 限元分析软件a n s y s1 0 0 对器件进行仿真分析，通过模态分析和谐响应分析，得到压 电式微型振动发电装置的结构尺寸参数与器件的固有频率和输出电压的关系，为压电式 微型振动发电装置的最终参数化设计提供理论参考；最后根据相关文献资料的介绍以及 在m e m s 工艺线上的实践操作，摸索出一套可行的器件制备的m e m s 工艺方案。 关键词：m e m s ，压电效应，悬臂梁，溶胶一凝胶法，反应离子刻蚀 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm e m st e c h n o l o g y , v a r i o u sm e m sd e v i c e s a r e i n v e n t e d h o w e v e r ，t h ep r o v i s i o no fp o w e rs u p p l yt ot h o s ed e v i c e sr e m a i n sap r o b l e mt ob e s o l v e d ，b e c a u s et h ec o n v e n t i o n a lp o w e rs u p p l yt o ol a r g ei ns i z ea n dt o os h o r ti nl i f et ob e i n t e g r a t e di n t om e m sd e v i c e s t h e r e f o r ei ti si m p e r a t i v et od e v e l o pan e wt y p eo fp o w e r s u p p l yt h a th a sam i c r os t r u c t u r ea n dal o n g e rl i f e t h i st h e s i sc o m e sf r o mt h ep r o j e c to fs o l i d e r - l i f ep a r a m e t e rm o n i t o r i n gs y s t e m i t s t u d i e sp i e z o e l e c t r i cm i c r o v i b r a t i o np o w e rg e n e r a t i n gd e v i c eb a s e do nm e m s t e c h n o l o g y f i r s t l yi ta n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l e so ft h ed e v i c e ，i e u t i l i z i n gt h ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to f p z tp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a lt oc o n v e r tt h em e c h a n i c a le n e r g yi n t oe l e c t r i ce n e r g yi na v i b r a t i n g e n v i r o n m e n tt op r o v i d ee l e c t r i c i t yf o rm e m sd e v i c e s n e x tas i m p l ed e d u c t i o no ft h e v i b r a t i o nf e a t u r e sa n dp o w e ro u t p u tf e a t u r e so fm e m sd e v i c e si s m a d ea c c o r d i n gt o m e c h a n i e so fm a t e r i a l s ，v i b r a t i o n t h e o r ya n dp i e z o e l e c t r i ct h e o r y t h e ni tm a k e sa s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ed e v i c e su s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s10 0 t h r o u g hm o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i st oo b t a i nt h es t r u c t u r a ls i z e p a r a m e t e r so fp i e z o e l e c t r i cm i c r o v i b r a t i o np o w e rg e n e r a t i n gd e v i c e sa n dt h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h e i rn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n do u t p u tv o l t a g e s ，h e n c eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h e f i n a lp a r a m e t r i cd e s i g no fp i e z o e l e c t r i cm i c r o v i b r a t i o np o w e r g e n e r a t i n gd e v i c e s a tt h ee n d ， ap l a u s i b l ep r o c e s sd e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n gm e m sd e v i c e si s p r o p o s e di nt h el i g h to f e x i s t e n tl i t e r a t u r ea n dt h ep r a c t i c eo nm e m s p r o d u c t i o nl i n e k e yw o r d ：m e m s ，p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ，c a n t i l e v e r , s 0 1 g e lm e t h o d ，r e a c t i v ei o ne t c h i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 2 0 0 1 年月2 0 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 卅年月2 0 日 硕士论文 基于m e m s 技术的微型电源的研究 1 绪论 1 1 引言 m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s 的缩写，即微电子机械系统) ，是指运用微 电子加工技术和微机械加工技术，在较小的物理尺寸上，集成微型传感器、微型执行器、 以及信号处理和控制电路、通信接口电路和电源于一体的完整微型机电系统1 1 。当一个 系统能够集成在一块芯片上( s o c - 一s y s t e m o nac h i p ) 时，电源也必须向小型化、微型化 发展。 1 2 研究背景和意义 微型电源是m e m s 技术发展重要的研究方向之一，也是近年来世界各国研究的热点。 为了满足各种微米纳米器件和便携式装置对微型电源的需求，研究和开发新型的微型电 源具有重要的实用意义。尤其是针对一些植入式装置、分布式系统、无线通信、航空航 天、微型武器装备等无法实现电池充电和燃料更换的应用场合，微型电源的研究和开发 具有迫切的需求背景。 此外，微型电源的使用可以增加能源的使用效率，延长电池的使用寿命，还能够减 少地球上资源的消耗与污染的产生，既经济又环保。所以，开发一种在理论上可以无限 期使用的基于m e m s 技术的微型振动发电装置，即将外界环境的振动能量转换为电能的 微型电源的研究，具有十分重要的理论和实际意义，也是微电子机械系统发展的重要方 向之一。 1 3 微型电源的发展概述 随着m e m s 技术的迅速发展和成熟，许多m e m s 传感器、微执行器和微系统的性能 已经逐渐完善，但是微型电源作为其中关键的基础部件，已经成为各种m e m s 器件及系 统独立工作、进入实用化的主要瓶颈，是亟待解决的关键技术问题【2 】。因此许多国家都 投入大量的人力、物力对微型电源进行研发。 微型电源大体上可分为微型电池和微型发电装置两大类。微型电池的种类很多，包 括微型燃料电池、微型化学能电池、微型锂电池、微型热电池、微型太阳能电池、微型 核电池等。微型发电装置主要有微型内燃机发电装置、微型旋转式发电装置和微型振动 式发电装置口j 。 1 3 1 微型电池 微型电池的种类很多，包括微型燃料电池、微型化学能电池、微型锂电池、微型热 1 士论文 电池、微型太阳能电池、微型核电池等。 ( 1 ) 微型燃料电池 微型燃料电池是一种将氢气、甲烷等燃料和氧气的化学能通过电极反应直接转换成 电能的装置，是目前国内外微型电源研究的热点之一。从事这方面研究的主要有台湾智 仁大学、德国弗劳恩霍夫研究所、美国巴特尔公司等。图11 为微型燃料电池的内部结构 图，图1 2 为美国巴特尔公司研制的微型燃料电池的照片。其中触媒层及离子交换膜 ( m e a ) 是燃料电池的核心部分，触煤层将氢气分解成氢离子和电子，电子经外电路发电， 而阳离子经离子交换膜在阴极与氧气及电予结合成水5 删。 a l f o u t h o m 】，e p 【土-啪mc o t 岫mi f 2 日a a k o tc m 图l - 1 微型燃料电池内部结构图图1 2 微型燃料电弛 因为微型燃料电池内部燃料工作过程中不涉及到燃烧，能量转换效率不受卡诺循环 的限制，所以它的最大特点是能量转换率高( 达6 0 0 旷8 0 哪。此外，它还具有燃料多样化、 排气干净、噪音低、对环境污染小、可靠性高等优点。但是，使用过程中仍需要更换燃 料、有排放物产生等缺点却使它无法满足分布式或植入式系统的要求。 ( 2 ) 微型化学能电池 微型化学能电池与普通电池的工作原理相似，利用m e m s 技术和微电子工艺将正电 极薄膜、阴极薄膜、电解质薄膜、阳极薄膜和负电极薄膜逐层沉积在衬底上制成。微型 化学能电池的最大优点是比能量高、工作温度范围宽、放电电压稳定、自放电率低、无 记忆效应、无公害，但是也存在着价格昂贵、使用寿命有限等不足，目前还不能广泛使 用m 。 ( 3 ) 微型锂电池 目前微型锂电池一般采用薄膜电池的形式。美国橡树岭国家实验室用物理溅射的方 法制各了全固态的薄膜锂电池。他们依次在衬底镀上集流体、电极、固体电解质，中间 经过特殊的热处理，最后封装，如图1 3 所示哪q 。电池体的厚度仅为1 5 l _ t m ，这种电池可 以制成任意形状以满足特定的要求，只要保证电解质完全隔离了电池的正极和负极。薄 膜微型锂蓄电池作为m e m s 的主要电源和备用电源有许多潜在的应用，例如：微型的医 疗器件、远程的传感器、小型的发报器、智能卡等【l q 。 两论文 基于m e m s 技术的徽型电彝的研究 芽；lmt = = ：= ：二= r 弋 i i ； 船f r m噬镀嚣 图1 3 固体薄膜锂蓄电池 ( 4 ) 微型熟电池 微型热电池是利用热电偶的塞贝克效应将环境中的热能( 包括太阳能、辐射热、人 体体温、系统运行过程的发热等) 转换成电能，即当两种不同的金属或半导体构成闭合 回路，当两个结构存在温差时，回路就产生电流。它的优点是使用温度范围宽、性能稳 定、寿命长、体积大小在微米量级等，但也存在着产生的电压低、转换效率低、响应时 间长等不足 。 ( 5 ) 微型太阳能电池 微型太阳能电池是利用光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目 前，利用光电效应原理工作的薄膜式太阳能电池己成为主流，而利用光化学效应原理工 作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。国内南开大学、云南师范大学、中国科学院长 春应用化学研究所等单位先后开展了这方面的研究；国外已有制成面积为l c r a 2 ，效率超 过1 5 的c d t e 太阳能电池的报道，但是太阳能电池存在着光电转换效率低、体积大等缺 点【1 2 1 。 ( 6 ) 微型核电池 微型核电池不是利用核聚变或核裂变来工作，而是利用放射性物质的自然衰变，即 利用衰变过程中发射的粒子作为能源或者利用衰变过程中释放出的热量，因此又被称为 放射性同位素微能源。这种电池的优点是体积小，重量轻、能量密度高、寿命长( 因为 某些放射性物质的半衰期可以高达几十年) 【”】。美国威斯康辛大学的j a m e sb l a n e h a r d i e 在开发只有头发丝大小的微型核电池，用于大小为6 肛7 0 u i n 的m e m s 器件。 1 3 2 微型发电装置 微型发电装置主要包括微型内燃机发电装置、微型旋转式发电装置和微型振动式发 电装置。 ( 1 ) 微型内燃机芨电装置 因为碳氢燃料有很高的能量密度，所以微型内燃机发电装置与化学电池相比，有更 高的能量密度和更大的功率输出。微涡轮式燃料发电装置是微型内燃机发电装置中最具 有代表性的一种，它的结构与大型涡轮燃料发动机相似，其基本组成部分包括：微型燃 3 颂论文 烧室、微型压缩机叶轮、微型涡轮。其工作的原理是：液态的碳氢化合物燃料在微燃烧 室中被点燃、燃烧燃气推动微涡轮机的叶轮对外做功：微涡轮机的叶轮同时驱动j = 】三缩 机，压缩机吸入空气或是助燃剂，保证燃料继续燃烧【l “。 图14 是美国麻省理工大学气体涡轮实验室正在研制的微型涡轮式发电装置，涡轮叶 片只有衬衫的纽扣大小，直径约为4 m m ，他们还制造了长约2 m m 的微型燃烧室，材料都 是硅，制造工艺与集成电路制造工艺相似。目的足在硅片e 制造质量仅为1 9 的涡轮发电 装置，输出功率达到1 0 2 0 w 。图15 是微燃烧器实验室研制的由硬质钢铝合金制成的小 型w a n k e l 发动机，尺寸是；半径为55 m m ，厚度为36 m m ，体积为7 7 5 r a m 3 【i q 。 图1 4 微型涡轮叶片 ( 2 ) 微型旋转式发电装置 幽15 ，儆型内燃发动机 微型旋转式发电装簧利用的是电磁、静电原理，当磁铁或驻极体随转子在线圈或电 投板上方旋转时，由于电磁感应或感应电荷的重新分布而产生的电荷移动，从而将外界 的机械能转化为电能。 1 9 9 3 年台湾工业技术研究院设计出的多极磁铁和多层线圈的微型旋转式茇电装置， 如图16 所示【3 】。 图16 多极磁铁及多层线圈的旋转式微型发电装置模型 2 0 0 3 年b o l a n d j 等人开发的静电式旋转发电装置，转子是运用极化处理过的多极 永久带电驻极体，而植入的永久电荷产生电场，当电极转动时电极上产生感应电荷发生 转移，实现机械能向电能的转换。其基本原理和结构如图l7 所示，该微型发电装置是利 硕士论文基于m e m s 技术的微型电源的研究 用m e m s 技术制成的4 极转子与静子，静电层厚度为9 岬，输出功率为2 5 州，有效电荷 密度为2 8 x 1 0 4 c m 2 ，转速4 1 7 0 r m i n e l 4 1 。 叔辩l d 图1 7 静电式旋转发电装置的简化模型 ( 3 ) 微型振动式发电装置 微型振动式发电装置是利用电磁、静电、压电等效应，通过拾振装置将外部的机械 振动能转换成电能，可以应用于各种存在微振动的环境中。根据其工作原理，微型振动 式发电装置主要分为电磁式、静电式和压电式等。微型振动式发电装置的特点是体积小、 能量密度大、寿命长以及具经济、安全与环保性。 电磁式是利用法拉第电磁感应定律，由振动时磁体组件和导电线圈发生的相对运动 导致电信号的产生。静电式是利用存储着一定电荷量的电容在振动激励下产生相对位 移，实现电荷的流动。压电式是利用压电效应，压电材料由于外界振动所产生的应力将 引起其内部电荷的移动，产生电量。由表1 1 的比较得出，压电式微型振动式发电装置 的输出能量密度大，结构简单便于微型化。 表1 1 微型振动式发电装置不同能量转换方式间性能的比较 转换类型优点缺点典型能量密度 难以由m e m s 技术实现；尺寸大； 电磁式模型成熟( 宏观发电机) 1 0 p w c r n 3 输出电压低；共振频率高( k h z ) 较好m e m s 兼容性； 静电式复杂的结构设计；需要启动电压 1 0 0 p w c r n 3 高输出便于应用 可m e m s 技术实现； 压电式转换效率低 2 5 0 w c m 3 结构简单；能量输出大 电磁式微型振动发电装置 电磁式微型振动发电装置是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种采用拾振器拾取环境中 的振动能，利用电磁感应原理将振动的机械能转换为电能。 英国南安普顿大学提出了一种电磁式微型振动发电装置，其结构如图1 8 所示。该装 置是由一个悬臂梁、安装在c 型磁轭上的作为质量块的磁铁构成，这种安装方法是为了 在气隙产生均匀的磁场，c 型磁轭是为了减小磁漏，由实心铁芯漆包通线圈组成的线圈 安装在两块磁铁之间，垂直于磁铁的振动方向。当壳体振动时，质量块( 磁铁) 相对于壳 s 多叠蛆舀殴 硕士论文 体振动，这种相对运动引起磁力线切割线圈，线圈中产生电动势【旧。 图1 8 英国南安普顿大学研制的电磁式微型振动发电装置 香港中文大学所开发的电磁式微型振动发电装置是一个由永久磁铁、激光微加工的 谐振弹簧、铜线圈等组成的弹簧一质量块系统，如图1 9 所示【1 1 【1 8 ”l 。根据法拉第电磁感 应定律，通过由激光微加工出来的铜弹簧将外界的机械能转换为电能，而能量处理电路 用来提高交流输出并蓄能。试验结果表明：当振幅小于2 0 0 u m 且振动频率为6 0 - , 1 i o h z 时，输出交流电压的峰峰值为2 , - , 4 v ，输出的功率为2 0 0 8 0 “计卅。 o , t t h r h o f i 叫 ( b ) 基本原理图 圉1 9 香港中文大学研制的电磁式微型振动发电装置 静电式微型振动发电装置 静电式微型振动发电装置主要由外部电源( 或者驻极体) 与可变电容器构成。外部电 硕论文 基于m e m s 技术的微型电源的研究 源( 或者驻极体) 的作用是在可变电容器之间产生原始电压差，如图11 0 所示。它的基本 工作原理是：外部电源( 或者驻极体) 的电场使可变电容器极板上产生感应电荷，通过振 动改变可变电容的大小，使电荷在电容器上重新分布，从而实现将外部振动能转换为电 能。 图1 1 0 静电式微型振动发电装置的示意图 由于用外部电源来产生感应电荷不利于减小体积和与集成电路的兼容，在使用方面 也有很大的局限性，1 9 9 9 年m a s s a c h u s e 啦s i 学院的s c o t tm a l i n g e r ，2 0 0 1 年比利时的 ts t e d ( e n 等人分别提出了一种新型的静电式微型振动发电装置，主要由梳齿状平面可变 电容器、质量块、驻极体所组成口1 】口”，如图1 1 1 所示。电容器被驻极体极化后，带有一 定量电荷，振动质量块相对于支架的运动引起电容器极板间距离的变化，电极间的电容 因此改变，引起电容器极板上的电荷通过外电路在动静极板之间的重新分布，从而在外 电路上形成电流f ”】洲。 闰l1 2 压电式微型振动发电装置的简化模型 硕论文 赊 赫需 囤1 1 5 基于m b m s 技术新型压电式微型振动发电装置 硕士论文 基于m e m s 技术的微型电源的研究 美国麻省理工大学的r 旬e i l d r ak s o o d 和s a n g - g o o kk i m 等人成功地开发出了一种基 于m e m s 技术的新型压电式微型振动发电装置，如图1 1 5 所示【2 7 】。该悬臂梁主要包括 s i 0 2 z 向2 电子扩散阻挡层，p z t 压电薄膜，顶部的p t 叉指电极层以及s u - 8 胶制作成的质 量块。 1 4 本文的研究内容 综上所述：压电式微型振动发电装置具有供能密度高，使用寿命长等优点，为解决 微米纳米器件和便携式装置的供电问题提供了一定的可行性。本文的研究目的是设计一 种压电式微型振动发电装置，并通过m e m s 技术制备，实现振动机械能向电能的转换， 为单兵生命参数监测系统中微型传感器的工作提供电能。 本文分为六章，主要研究内容为： ( 1 ) 查阅大量文献的基础上，分析微型电源的发展现状，尤其是微型发电装置的发展 现状，指出基于m e m s 技术的压电式微型振动发电装置的研究意义。 ( 2 ) 对压电式微型振动发电装置的基础理论进行分析，介绍了压电式振动发电的物理 基础( 包括：振动源的形式、压电效应，压电材料和压电方程) ，阐述了压电式微型振动 发电装置中压电振子( 换能元件) 的基础理论。 ( 3 ) 对压电式微型振动发电装置的理论特性进行分析，分析了器件的振动理论和电能 输出特性，为器件进行仿真分析提供理论参考。 ( 4 ) 利用有限元分析软件a n s y s1 0 0 对压电式微型振动发电装置进行仿真分析，分别 对器件进行了模态分析、谐响应分析、改变结构尺寸时器件的输出电压和频率关系的分 析，为压电式微型振动发电装置的最终参数化设计提供理论依据。 ( 5 ) 采用m e m s i 艺制各压电式微型振动发电装置，并对制备过程中的主要工艺进行 介绍。 ( 6 ) 总结全文的研究结果以及未来工作的展望。 9 2 压电式微型振动发电装置的基础理论分析硕士论文 2 压电式微型振动发电装置的基础理论分析 压电式微型振动发电装置的研究是集压电学、振动力学、电子学于一体的多学科交 叉的综合研究。压电式微型振动发电装置作为微型传感器系统的供能部件，是微型传感 器系统的关键部分，它的工作情况直接影响到整个微型传感器系统的工作情况，因此要 对压电式微型振动发电装置的基础理论作详细的分析，为压电式微型振动发电装置中换 能元件( 复合压电振子) 结构的建模和整个发电装置结构的设计提供理论基础。 本章首先从振动源的形式、压电效应、压电材料和压电方程四方面介绍了压电式微 型振动发电的物理基础；接下来又从压电振子的振动模式、支撑形式和等效电路方面介 绍了压电振子的基础理论：最后提出了压电式微型振动发电装置的设计方案。 2 1 压电式振动发电的物理基础 2 1 1 振动源的形式 振动在现实生活中普遍存在，例如：运行中的工业设备、汽车、办公大楼的楼梯和 一些小型的家用电器等，s jr o u n d y 等人对日常生活中的一些振动源进行了调查，表2 1 列出了现实生活中常见的几种振动源【2 8 1 。振动源的频率在6 0 h z n 4 0 0 h z 范围内。另外现 实生活中还存在一些高频的振动源，例如：声音的频率范围在2 0 h z 2 0 k h z 。 表2 1 现实生活中常见的几种振动源及频率 振动源频率( h z ) 厨房搅拌机 1 2 1 小型微波炉1 2 5 办公楼的通风孔6 0 人行走时的木地板 3 8 5 靠近街道的窗户 1 0 0 洗衣机 1 0 9 电冰箱2 4 0 3 轴机床 7 0 2 1 2 压电效应 1 8 8 0 年法国的p i e r r ec 试e 和j a c q e sc u r i e 兄弟首先在伐石英晶体上发现了压电效应。 压电效应反映了压电晶体的弹性性能和介电性能之间的相互耦合，可分为正压电效应和 逆压电效应。 当某些电介质晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些表面上出现异号极化电 荷。这种没有电场的作用，只是由于应变或应力，在晶体内产生电极化的现象称为正压 电效应。反之，当在晶体上加一电场时，晶体不仅要产生极化，还要产生应变，这种由 1 0 硕士论文基于m e m s 技术的微型电源的研究 电场产生应变的现象称为逆压电效应【2 9 】。 压电效应的本质是由于压电晶体在机械力的作用下发生形变，从而引起带电粒子的 相对位移( 偏离平衡位置) ，使压电晶体总的电偶极矩发生改变 3 0 1 。 二- - - p - - 1 a 一奖，专黔。刘 ，、产、；，矿刨7 ，| 咎一一珂 一| 1 葛一z l ( a )( b )( c ) 图2 1 压电晶体产生正压电效应示意图 压电晶体的正压电效应可以用图2 1 加以解释。图2 1 ( a ) 表示压电晶体中的质点在某 方向上的投影。当压电晶体不受外力作用时，正电荷的中心与负电荷的中心重合，整个 压电晶体表面不带电。但是，当压电晶体受到某一方向的机械应力作用时，压电晶体就 会由于产生形变而导致了正负电荷中心不重合，也就是其表面电荷发生了变化，从而引 起了压电晶体表面的带电现象。图2 1 ( b ) 为压电晶体受压缩时的带电情况；图2 1 ( c ) 则 是压电晶体受拉伸时的带电情况。 而对于逆压电效应，如果将一块压电晶体置于外电场环境中，压电晶体的正负电荷 中心会产生位移。这一极化位移又导致了压电晶体发生形变【3 l 】。 在压电效应中，机械能和电能可以相互转换，如图2 2 所示。对于正压电效应，压电 材料受到的机械应力作用时产生电场，机械能转化为电能；而对于逆压电效应，在压电 材料上外加电压，产生机械形变，电能转化为机械能。对于本文所要研究的压电式微型 振动发电装置，目的是收集振动环境中的机械能并将其转化为电能，即利用正压电效应。 i 正压电效应f + 圆一匪圃一回 l 一 l 逆压电效应i 图2 2 正、逆压电效应能量转换图 2 1 3 压电材料 压电材料是一类在受外力作用时产生电荷；在电场作用下产生机械振动的机电换能 l l 匕 匕一 、一， 一 、叁7 国 一 一 一 夕斗。由丁_刳 2 压电式微型振动发电装置的基础理论分析硕士论文 材料。 用于微精密加工的压电材料可分为五个基本类型：( 1 ) 压电单晶材料，例如：石英、 铌酸锂等；( 2 ) 压电陶瓷材料，例如：锆钛酸铅( p z t ) 、钛酸铅( p t ) 等；( 3 ) 压电半导体 材料，例如：氧化锌等；( 4 ) 压电高分子聚合物，例如：聚偏二氟乙烯( p v d f ) 等；( 5 ) 压电复合材料，例如：p z t 聚合物、p t 聚合物等 3 2 】【3 3 】 3 4 】。 压电材料的主要性能参数有以下六个【3 l 】 3 5 】： ( 1 ) 机电耦合系数后 这是综合反映压电材料的机械能与电能之间耦合程度的参数，它的平方定义为： 后2 = 茎蔫美景瓣( 对于正压电效应) ( 2 1 ) 托 = 一 i lll 厂，_ l 、h 一x y ”vji | _ j ” 输入的总机械能。一一” ”一7 尼2 = 茎篙蒙慧等( 对于逆压电效应) ( 2 2 ) k = 一 i ill ，1 厂厅q r y ，vji | j ” 输入的总电能”。一一一” ”7 ( 2 ) 机械品质因数q m 这是衡量压电材料谐振振动时机械能内耗大小的一个重要参数， 谐振振动时压电材料内贮存的能量 匕” 谐振振动时压电材料每周期内损耗的机械能量 ( 3 ) 相对介电常数s 这是反映压电材料介电性质或极化性质的参数，它的定义为： 压电材料的自由介电常数 。 真空状态下的介电常数 ( 4 ) 弹性常数s 这是反映压电材料弹性变形能力的参数，它的定义为： 压电材料的应变 。 加在压电材料上的应力 ( 5 ) 压电应变常数d 它的定义为： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 它是压电常数的一种形式，它的定义( 无外力作用时) 为： d = 型笔恭器等 眨6 ， ，】= 一 、z n ， ” 电场强度梯度 9 7 ( 6 ) 压电电压常数g 它是压电常数的另一种形式，它表示内应力所产生的电场，或应变所引起的电位移 的关系。压电电压常数g 与压电应变常数d 之间的关系为： g = d e ( 2 7 ) 硕士论文 基于m e m s 技术的微型电源的研究 压电式微型振动发电装置的能量转换效果取决于所选用压电材料的机电耦合系数 七、压电应变系数d 、相对介电常数s 等性能参数，因此选择合适的压电材料对提高压电 式微型振动发电装置的性能有重要影响。通常机电耦合系数和压电应变系数越高，压电 材料的能量转换效率越高。相对介电常数越高的压电材料越容易存储电荷，并且有助于 降低材料器件的内阻，减少器件工作时的内部能耗。 目前p z t ( p b z r x t i l x 0 3 ，锆钛酸铅) 压电陶瓷材料是在m e m s 领域应用最广泛的压 电材料，p z t 压电陶瓷材料与其它压电材料相比，优点在于：机电耦合系数、压电应变 常数较大，制造工艺相对成熟，能够与m e m s 结构良好兼容，成本较低等；并且可以 通过调制合理的配方来达到所要求的性能，是压电式微型振动发电装置中换能元件的理 想材料选择。 使p z t 等压电陶瓷材料工作于压电效应下，在工作前需要先对它进行极化。所谓极 化就是在某一温度下对压电材料的两个电极加以固定直流电压( 维持一段时间) 。通过极 化，在p z t 压电材料中产生了剩余极化向量，因此在压电变换时产生的电场方向才会沿 着确定方向，使电极上有电荷的积累，极化过程如图2 3 所示。 ( a ) 极化前( b ) 极化( c ) 极化后 图2 3p z t 压电陶瓷极化过程示意图 因为压电陶瓷是人工合成的多晶体压电材料，它由许多小晶体单元构成，这些小晶 体单元通常排列是无规则的，使得压电陶瓷对外一般不显示压电效应。但经过外加电场 作用后，构成压电陶瓷的晶体结构不具有对称中心，存在着与其晶轴不同的极化轴，正、 负电荷中心不再重合，有自发极化强度p s 存在。这一极化强度随外电场而转向，在外电 场消失以后，仍能保持着一定值，即剩余极化强度p r ，此时压电陶瓷便具有压电性。如 图2 4 所示的压电材料的电滞回线【3 6 】【3 刀。 p s a t 妇 形。 么 e 。 e ， 图2 4 压电材料的电滞回线图 1 3 2 压电式微型振动发电装置的基础理论分析 硕士论文 利用这种特性，可以对压电陶瓷材料外加一定的直流电场，使之在沿电场方向产生 一定的净极化强度，这个过程称为人工极化。压电陶瓷材料经过人工极化处理后，对外 表现由各向同性变为各向异性，因此具有了压电性。 2 1 4 压电方程 压电材料具有机电转换特性，所以会发生电行为和弹性行为的耦合。这种耦合关系 在一定条件下，尤其是小信号条件下，可以用比较简单的线性压电方程来描述。 压电方程是对压电材料的介电性、弹性、压电性的综合表述。它反映压电材料的弹 性变量( 即应力、应变) 和电学变量( 即电场强度、电位移) 之间的关系。压电材料存在机 械和电学两种边界条件，其中机械边界条件又可分为自由和夹持两种状态，电学边界条 件又可分为短路和开路两种状态。为了适应不同的边界条件，就出现了不同自变量的压 电方程，通常为下列四类表达式( 简易矩阵形式) 3 1 】： ( 1 ) 第一类压电方程 边界条件对应于机械自由和电学短路，应力卿电场强度e 为自变量，应变跏电位 移d 为因变量。方程为： p s e t + d ，i e ( 2 8 ) 【d = d t + s 1 e 式中：s 一应变；s 一弹性柔顺常数；r 一应力；d ，一d 的转置；e 一电场；d 一电位 移；d 一压电应变常数；s 一介电常数。 第一个方程叙述了逆压电效应，而第二个方程叙述了正压电效应。式中系数的上标 表示值为零时对应的系数( 下同) 。 ( 2 ) 第二类压电方程 边界条件对应于机械夹持和电学短路，应变哪电场强度e 为自变量，应力聊电位 移d 为因变量： 丁= c 三s t e ( 2 9 ) 【d = e s + o e 3 e 式中：卜应力；c 一弹性刚度常数；p 一压电应力常数；色一g 的转置。 ( 3 ) 第三类压电方程 边界条件对应于机械自由和电学开路，应力卿电位移d 为自变量，应变卿电场强 度e 为因变量： js - - s d n 岛? ( 2 1 0 ) 【e = 一g t + d 式中，一自由介电隔离常数；g 一压电电压常数；毋一g 的转置。 1 4 硕士论文基于m e m s 技术的微型电源的研究 ( 4 ) 第四类压电方程 边界条件对应于机械夹持和电学开路，应变蹄电位移d 为自变量，应力卿电场强 衄为因变量： t = c o s + 印( 2 1 1 ) 【e = - h s + f l s d 式中，五一压电刚度常数；忽一 l 的转置。 2 2 压电振子 压电振子是指制备有电极的压电体，它是压电式微型振动发电装置中的压电换能元 件。因为压电陶瓷材料的质地硬且脆，受激励后产生位移较小，所以并不是把压电陶瓷 材料作为压电振子直接使用，而是把压电陶瓷材料与某种弹性体连接在一起共同构成振 动体，称这种振动体为复合压电振子。常用的压电振子可分为矩形和圆片两种。 2 2 1 压电振子的振动模式 压电振子是压电式微型振动发电装置的核心元件，它的作用是将收集到的外界的机 械能转换成电能。某种几何尺寸的压电振子在特定的条件( 外加激励、极化方向和电极 形状等) 下，其用来完成机械能与电能的相互转化的振动方式称为压电振子的振动模式， 各种振动模式之间还存在着相互影响或耦合作用。 通常情况下压电陶瓷所能激发的振动模式可以分为四类，如图2 5 所示【2 9 】【3 。 ( a ) 垂直于电场方向的伸缩振动模式( 横向振动模式) ，简称l e 模式； ( b ) 平行于电场方向的伸缩振动模式( 纵向振动模式) ，简称t e 模式； ( c ) 垂直于电场平面内的面内剪切振动模式( 面切变振动模式) ，简称f s 模式； ( d ) 平行于电场平面内的面内剪切振动模式( 厚度切变振动模式) ，简称t s 模式。 赫揣揣赫 ( a ) l e 模式( b ) t e 模式( c ) f s 模式( d ) t s 模式 图2 5 压电振子的振动模式 在设计压电振子时，除了根据实际需要选择合适的压电陶瓷材料，设计成合适的结 构尺寸之外，还要选择合适的压电振子振动模式。当这些振动模式作用到压电振子上时， 将使压电振子产生弯曲振动、伸缩振动和扭转振动。压电式微型振动发电装置一般采用 1 5 2 压电式微型振动发电装置的基础理论分析 硕士论文 弯曲振动形式，其变形方向与极化方向( 也是电场方向) 垂直，即利用l e 模式。 2 2 2 压电振子的支撑形式 压电振子支撑形式的不同，其工作方式与能量输出的特点也会有所差异。通常情况 下，压电振子有以下五种不同的支撑形式，如图2 6 所示3 8 】【3 9 】： ( a ) 悬臂支撑：这种方式可产生最大的挠曲和柔顺系数，同时具有较低的谐振频率。 矩形压电振子发电元件多采用此支撑形式。 ( b ) 两端顶住( 但可以自由旋转) 支撑：具有较小的位移，柔顺系数较低，能承受或施 加较大的力。 ( c ) 周边固定支撑：对于压电陶瓷材料自身，其周边固定的机电耦合系数极低，不适 合用于压电振子发电元件。 ( d ) 简支支撑：压电振子元件支撑在振动的波节上，支撑的结构轻便、结实，而且装 置的损耗也降到最低程度。圆片形压电振子常采用此支撑形式。 ( e ) 自由支撑：结构安装不方便，实际使用中很少采用。 ( a ) 悬臂支撑 ( c ) 周边固定支撑 ( b ) 两端顶住支撑 ( d ) 简支支撑 ( e ) 自由支撑 图2 6 压电振子的支撑形式 2 2 3 压电振子的等效电路 压电振子是一种典型的机电换能系统，它具有一定的机电转换能力。对于不同振动 模式的压电振子，由压电方程、运动方程和力学边界条件可以得到其等效电路，如图2 7 所示。 在这个等效电路中各参数代表的意义： l 1 为等效电感，也称为动态电感或内电感，它与材料的机械性质有关，类比于压电 1 6 硕士论文 基于m e m s 技术的微型电源的研究 振子的质量。 c 1 为动态电容。 r 1 为等效电阻，它与材料的机械损耗有关。 c o 为静态电容，实际上是夹紧态电容【3 刁。 l lc it l q = 1 图2 7 压电振予的等效电路 压电振子的最佳工作区域为谐振频率区。谐振频率在物理关系上等同于器件的固有 频率，它由频率常数和器件结构尺寸所决定。 谐振状态的出现在电源回路的表现为：压电振子的电阻抗最小，电流最大。与谐振 现象相对应，压电振子也存在一个反谐振频率，此时电源回路表现为电阻抗最大，而电 流最小。压电振子的阻抗一频率特性曲线如图2 8 所示，其临为谐振频率，五为反谐振 频率。 a 厶 矗， 图2 8 压电振子的阻抗频率特性曲线 2 3 压电式微型振动发电装置器件结构设计 根据前面对压电式振动发电的基本原理、压电振子的基本理论的论述与m e m s - e 艺 的特点，综合考虑，本文确定选用悬臂梁结构作为压电式微型振动发电装置的设计结构， 提出两种设计方案，如图2 9 所示。 铂钛顶电 | i 铂钛 ( a ) 悬臂梁结构的自由端不附加质量块 1 7 2 压电式微型振动发电装置的基础理论分析 硕士论文 锆钛酸铅 硅 质量提( 硅) ( b ) 悬臂梁结构自由端附加质量块 图2 9 悬臂梁结构的压电式微型振动发电装置结构设计图 图2 9 ( a ) 所示的设计结构是由铂钛顶电极、p z t 压电陶瓷材料层、铂钛底电极、二 氧化硅层和硅层组成的复合悬臂梁( 也可看作悬臂梁结构的复合压电振子) ，悬臂梁的自 由端没有附加质量块。 图2 9 ( b ) 所示的设计结构是由铂钛顶电极、p z t 压电陶瓷材料层、铂钛底电极、二 氧化硅层和硅层组成的复合悬臂梁( 也可看作悬臂梁结构的复合压电振子) ，悬臂梁的自 由端附加硅质量块。 2 4 本章小结 复合压电振子是压电式微型振动发电装置的核心元件，它的工作性能直接影响到整 个压电式微型振动发电装置的工作性能。本章对压电式微型振动发电装置的基础理论作 了详细的分析，为器件的结构设计提供理论基础。 本章的主要内容为： ( 1 ) 压电式振动发电的物理基础。阐述了压电式微型振动发电的基本原理( 正压电效 应) ；对压电材料进行了介绍，尤其是对p z t 压电陶瓷材料的介绍；分析了四种形式的压 电方程。 ( 2 ) 对压电振子进行分析。介绍了压电振子的四种振动模式( l e 模式、t e 模式、f s 模 式和t s 模式) ；阐述了压电振子的五种支撑形式( 悬臂支撑、两端顶住支撑、周边固定支 撑、简支支撑和自由支撑) ；分析了压电振子的等效电路( l r c 等效电路) 。 ( 3 ) 提出两种悬臂梁结构的压电式振动发电装置的设计方案。 硕士论文基于m e m s 技术的微型电源的研究 3 悬臂梁结构的压电式微型振动发电装置的理论特性分析 本章对悬臂梁结构的压电式振动发电装置的振动理论和电能输出特性进行分析，为 器件的有限元仿真分析提供理论参考。 3 1 器件的振动理论分析 悬臂梁结构的压电式微型振动发电装置的工作原理是基于压电效应，即利用复合压 电振子的振动来实现机械能向电能的转换，为了使器件有较强的电能输出能力，需要对 其振动理论进行分析。 3 1 1 悬臂梁弯曲振动的微分方程 直梁是指横剖面尺寸远小于其纵长尺寸的平直细长弹性体。它承受垂直于中心线的 横向载荷作用并发生弯曲变形。 图3 1 欧拉伯努力梁的模型 图3 1 中的直梁在x o z 平面内做横向振动。假设梁各截面的中心主惯性轴在同一x o z 平面内，外载荷也作用在该平面内，且略去剪切变形影响及截面绕中性轴转动惯量的影 啊，此时梁的主要变形是弯曲变形，即是通常称为欧拉一伯努力梁的模型【4 0 1 。 对于悬臂梁结构的压电式微型振动发电装置，其简化结构( 因二氧化硅层和底、顶 铂钛电极层厚度相对较小，故略去不计) 如图3 2 所示。 图3 2 器件的简化结构图 材料 1 9 3 悬臂梁结构的压电式微型振动发电装置的理论特性分析 硕士论文 欧拉一伯努力梁的横向振动微分方程 4 u j l 4 1 j 为： 见4 学+ 色厶警川) ( 3 1 ) 式中：p b 为基板材料的密度，a b 为悬臂梁结构中基板的横截面积，z x ，0 为悬臂梁的位 移，历为基板材料的弹性模量，厶为基板材料的惯性矩，只力为对基板施加的外力。 在距离悬臂梁根部匆处对基板施加简谐力