（微电子学与固体电子学专业论文）基于cmosmems技术的带电路输出的pzt电能收集器.pdf

a b s t r a c t d u et ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ys ot h a tp o w e r c o n s u m p t i o no fc h i pi ss m a l le n o u g h ，h a sr e a c h e dt h el e v e lo ft h em i c r o ，t h en a n o w a t t t h es y s t e mi sa l s oi nm i l l i w a t tm a g n i t u d e t h e r e f o r et h ei d e at h a tv i b r a t i o ne n e r g yo f t h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n ti sc o n v e n e dt oe l e c t r i c i t ya n dc o l l e c t e di sp u tf o r w a r da n d i ti sp o s s i b l et op r o v i d ee n e r g yf o rs y s t e m s i nt h i sp a p e r , p z te n e r g yh a r v e s t i n gb a s e d c m o sa n dm e m st e c h n o l o g yw i t ht h eo u t p u tc i r c u i ti sr e s e a r c h e d s o l g e lp r o c e s s m e t h o di su s e dt om a k ep z tp i e z o e l e c t r i ct h i nf i l mw h i c hc a nc o n v e r tv i b r a t i o ne n e r g y t oc h a r g eu s i n gt h ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t ，a n dp o w e rs i g n a li sh a r v e s t e dt h r o u g ht h e r e c t i f i e rc i r c u i ta n dt h ee n e r g ys t o r a g ec a p a c i t o r t h er a t i oo fr a wm a t e r i a l sa n dt h e l a t t i c es t r u c t u r eo ft h ep r e p a r e dp z tp o w d e r si sa n a l y z e du s i n gx r d ，t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ep r e p a r e dp z t p o w d e r sa n n e a l e da t 7 0 0 。cp o s s e sp e r o v s k i t es t r u c t u r e a n d p o w d e rp a r t i c l eu n i f o r md i s p e r s i o n s u r f a c em o r p h o l o g ya n dc r o s ss e c t i o ns t r u c t u r e o fp z tt h i nf i l m si sa n a l y z e db yx r da n ds e m t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts u r f a c eo ft h e p z tt h i nf i l m sp r e p a r e da t7 0 0 。cw i t h5 0 0 n mt h i c kh a sc r a c k f r e ea n df l a t n e s sb e t t e r t h ec h i po ft h ep z te n e r g yh a r v e s t i n gi sf a b r i c a t e du s i n gp z tt h i nf i l m sa n ds i l i c o n c a n t i l e v e rs t r u c t u r e ，w h i c hi st e s t e du s i n gm e a s u r e m e n tc i r c u i t o na c c o u n to ft h e m e a s u r e m e n td a t a ，t h ep z te n e r g yh a r v e s t i n gm e a s u r e dp e r f o r m a n c eo f0 7 4 t w e f f e c t i v ee l e c t r i c a lp o w e ra n d3 9 3 vd co u t p u t k e yw o r d sm e m s ；p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ；s o l - g e lm e t h o d ；p z tp i e z o e l e c t r i c i t ym a t e r i a l s ； e n e r g yh a r v e s t i n g - i i 目录 目录 中文摘要一i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 压电能量收集器发展现状2 1 3p z t 制备方法一7 1 4 本课题研究内容l o 第2 章能量收集的基本原理1 2 2 1 振动能量收集的转换机制1 2 2 2 压电能量收集1 4 2 2 1 压电能量收集理论1 4 2 2 2 压电材料的压电效应15 2 3 压电模式( d 3 l 和d 3 3 ) 的对比1 5 2 4 悬臂梁的理论计算l8 2 4 1 压电悬臂梁的应力分量一1 8 2 4 2 悬臂梁在受集中载荷时的最大应力吒。2 5 2 5p z t 薄膜电能收集器2 6 2 6 本章小结2 7 第3 章p z t 电能收集器的设计与仿真一2 8 3 1 计算机辅助软件介绍2 8 3 1 1c o m s o lm u l t i p h y s i c s 软件介绍一2 8 3 1 2i n t e l l i s u i t e 软件介绍一2 9 3 2p z t 电能收集器结构尺寸的设计与仿真3 0 3 2 1 构建三维模型3 0 3 2 2p z t 电能收集器性能分析3 0 3 2 3p z t 电能收集器的频率响应分析3 3 3 3p z t 电能收集器制作工艺流程与仿真3 5 3 3 1p z t 电能收集器制作工艺流程3 5 3 3 ，2 掩模版图的设计3 6 3 3 3p z t 电能收集器工艺流程模拟3 7 3 4 能量收集电路的设计与仿真3 9 3 5 本章小结4 0 第4 章p z t 电能收集器的制备及测试一4 1 4 1 溶胶凝胶( s 0 1 g e l ) 技术4 1 4 2p z t 薄膜的制备4 l 4 2 。l 制备p z t 溶胶的主要原料4 2 4 2 2p z t 溶胶的制备工艺4 3 4 2 3p z t 薄膜的制备4 4 4 - 3p z t 粉体的测试4 4 4 4p z t 薄膜的测试4 5 4 4 1 ) ( 】王d 测试分析4 5 4 4 2s e m 表面形貌分析4 5 4 4p z t 电能收集器制备的关键工艺4 6 4 4 1 光刻工艺4 6 4 4 2 氧化工艺一4 7 4 4 3 扩散工艺4 7 4 4 4 腐蚀工艺4 7 4 4 5 离子刻蚀4 8 4 6p z t 电能收集器的制备4 9 目录 4 6 1 掩模版的设计4 9 4 6 2p z t 电能收集器的制备工艺流程4 9 4 7p z t 电能收集器的测试5l 4 8 本章小结5 2 结论5 3 参考文献一。5 4 致谢6 l 攻读学位期间发表论文6 2 独创性声明6 3 第1 章绪论 第1 章绪论 随着m e m s 技术的发展，无线传感网络和微执行器等微系统已广泛应用于环 境监测、生物芯片、汽车、建筑和军事等领域，微系统长期有效的工作并完整的 嵌入到应用环境中需要一种新型的供能装置。利用周围环境中的能源( 太阳能、 热能、机械振动等) 可以研制出体积小、抗干扰能力强和易于集成化的供能装置 能量收集器。近年来，基于振动的能量收集器的研究备受关注。其利用压电 材料将环境中的振动能转化成为电能，可有效的减少外接驱动能源或减少更换电 池的周期，并具备小型化、能量密度高、寿命长和无污染等优点。 1 1 研究的目的和意义 微电子与微制造技术的发展使无线传感网络和微执行器等微系统广泛应用于 民生和军事等领域。为了使微型传感器和微执行器完整的嵌入到应用环境中，与 外界没有任何接触，需要有自供能装置。利用正压电效应制作的微型压电发电装 置是有着非常广阔的应用前景的供能装置，其具备体积小、能量密度高、寿命长、 无污染、可与m e m s 加工工艺兼容等优点【1 1 。目前，微系统发展主要问题是：新 型的电源和加工工艺等，因此提出将周围环境中的能量转换成电能收集并存储起 来。这些能量有很多形式，如太阳能，振动能，电磁能，化学能，和热能等。利 用压电材料( p z t ) 制作电能收集器可以有效的将振动能转换成电能，其工作原理 是正压电效应，即当压电体发生形变时，其两个表面会出现异号电荷，正电荷或 负电荷的增加或减少产生了电量。要使该电量为后续元器件供能，则需要收集电 路对其进行收集并储存。收集电路的主要部分由桥式整流电路和存储电路组成。 本文基于c m o s 和m e m s 工艺研究带电路输出的p z t 电能收集器，通过 m e m s 工艺制作悬臂梁，采用溶胶一凝胶法在悬臂梁上制备p z t 薄膜，利用p z t 薄膜的正压电效应将环境中的可利用的振动能量转化为电荷，并通过整流电路收 集电荷及能量存储电容输出电能信号。 1 2 压电能量收集器发展现状 利用周围环境能源的能量收集器已经被广泛研究，其中能源包括太阳能、热 能、化学能、机械振动和流体能量等。机械振动是一种很有潜力的能源，可以通 过压电效应将振动能转换为电能。目前，p z t ( p b ( z r x ，t i l - x ) 0 3 ) 作为一种重要的压电 材料，广泛应用于能量收集器的研究。 2 0 0 1 年，j e o n 等人采用二氟化氙( x e f 2 ) 的各向同性腐蚀工艺制作了压电微 能量发生器( p m p g ) 【2 ，3 1 ，p m p g 能将周围环境中的的声能转换成电能，当声音 的频率为2 0 - 4 0 k h z 时，该发生器可以产生1 0 2 9 w 的能量。 2 0 0 1 年，g l y n n e j o n e s 等人采用丝网印刷工艺制作了锥形悬臂梁结构能量发 生器【4 ，5 一，压电材料是基于p z t - 5 h 与粒状7 5 7 5 玻璃混合，该发生器的结构如图 1 1 所示。沿着压电层长度方向施加一个给定的激励，锥形结构对压电层产生叵定 的应变。该器件在8 0 1 h z 的激励频率下，可以为3 3 3 1 的负载提供3 “w 的能量。 t h i c k 6 l mp 7 - r 图1 1 锥形p z t 发生器 f i g 1 1t a p e r e dt h i c k f i l mp z tg e n e r a t o r 2 0 0 3 年，s h a dr o u n d y 等人提出了典型的微型压电悬臂梁( 长为9 - 2 5 m m ) ， 在其自由端贴有质量块，在频率为1 2 0 h z ，外界激励为2 5 m s 2 条件下，该发生器 可以产生电能【7 ，8 ，9 1 。 2 0 0 5 年，r e n a u d 等人设计了一种碰撞耦合压电发生器 1 0 l 。该器件由一个固 定的框架和框架内部的惯性质量块组成，质量块可以在滑行轴上自由运动。其结 构如图1 - 2 所示。其中质量块的尺寸为：长2 m m ，宽1 0 m m ，厚5 m m ，质量为7 5 0 m g ， 该质量块可沿着滑行轴移动。该框架的滑行轴上的尺寸为：长1 2 m m ，宽1 0 m m 。 当滑行质量块碰撞在框架尾端的p z t 梁时就会产生能量。为了增加能量输出和完 第1 章绪论 成双向稳定操作，在框架两端装有磁铁。实验表明，在激励为1 h z ，幅值为l o c m 时，这个器件将产生4 0 l w 的能量。 p i e z o e l e c t r i cc 扎n e 铂e v e f l s l i d i n ga x i s 图1 2 压电发生器结构示意图 f i g 1 - 2b i - s t a b l ep i e z o e l e c t r i cg e n e r a t o r 2 0 0 5 年，s h a s h a n kp r i y a 等人制作了压电风车 1 1 1 。它将风能转换成电能，该 器件将风能转换成电能的原理是基于压电效应并利用双压电晶片执行器来实现。 。 瘾 图1 - 3 压电风车结构原理图 f i g 1 - 3s c h e m a t i co f t h ep i e z o e l e c t r i cw i n d m i l l 压电风车是由悬臂梁式的压电执行器组成的，其结构如图1 3 所示。通过风的流量 使偏心轴齿轮的机械摆动产生转矩应用到执行器上，它在加有2 3 5 9 m 负荷，尺寸 为6 0 x 2 0 x o 5 m m 3 的双压电晶片模式下工作。在频率为1 0 0 h z ，钹直径为2 9 m m ， 厚度为l m m ，受力为7 8 n 的条件下，为负载4 0 0 k q 的钹电阻提供3 9 m w 的能量。 产生的能量可以很容易的通过风能和双压电晶片的数量进行控制。 2 0 0 6 年，f a n gh u a b i n 等人采用m e m s 二 艺制作了压电微能量发生器【1 2 】， 该发生器的基本结构如图1 4 所示，它是由s i 和贴有金属质量块的悬臂梁组成。 该悬臂梁是由三明治结构的一对金属( t i ) 电极和电极之间的压电材料及其下 面的衬底( s i s i 0 2 ) 组成。压电微能量发生器的结构尺寸为：s i 膜厚1 2 9 m ，梁的 长宽为2 0 0 0 9 m x 5 0 0 9 m ，质量块为5 0 0 m 5 0 0 l m 。该发生器的p z t 薄膜采用d 3 1 激励模式，当s i 基被置于振动环境下，悬臂梁会和基体发生相对运动，由于压电 效应，p z t 层就会产生电荷的移动。压电微能量发生器的扫描电镜照片如图l 一5 所示。该发生器可以为2 0 4 k q 的负载提供1 1 5 9 w 能量和4 3 2 m v 的交流电压。 + 图1 _ 4 压电微能量发生器的基本结构 f i g 1 - 4c r o s ss e c t i o n a ls k e t c ho f t h ep o w e rg e n e r a t o r 图1 5 压电微能量发生器扫描电镜照片 f i g 1 5s e mi m a g eo f g e n e r a t o rp r o t o t y p e 2 0 0 6 年，w j c h o i 等人基于m e m s 技术制作了压电薄膜能量转换发生器【l 引， p i e z o e l e c t r i cm i c r op o w e rg e n e r a t o r ( p m p g ) 1 4 , 1 5 1 ，图1 - 6 给出s e m 扫描的p m p g 结构，p m p g 的剖面结构如图1 7 所示。该结构采用溶胶一凝胶( s o l g e l ) q - 艺制作p z t 薄膜，并在其表面制作n t i 叉指电极。当外加一定激励频率时，该发生器发生简 谐振动，悬臂梁弯曲，张力分散整个梁，并通过压电效应横向( d 3 3 ) 模式将振动 能转换成电能。该能量转换发生器的结构尺寸为：1 7 0 i t m x 2 6 0 p m ，频率在0 - 2 0 0 k h z ， 一4 第1 章绪论 图1 - 6p m p g 的s e m 照片 f i g 1 - 6s e mp h o t o g r a p ho f p m p g 图1 7 p m p g 结构说明 f i g 1 - 7i l l u s t r a t i o n so fp m p g 囝紫 图1 8 螺旋式悬臂梁结构 a ) 基本原理b ) 双梁三明治c ) 螺旋结构 f i g i - 8s e r p e n t i n es t r u c t u r e s a ) b a s i cc o n c e p tb ) d o u b l eb e a ms a n d w i c hc ) t e t h e r e ds t r u c t u r e + 3 v 交流电压激励p z t 薄膜，使其发生形变，产生电荷。将p m p g 器件与整流电 路和通过存储电容的负载电阻连接，发现在频率为1 3 9 7 k h z ，负载电阻为5 2 m f 2 时，产生1 0 l i w 的能量，并有2 4 v 输出电压。 作者为实现低谐振频率，研究螺旋式悬臂梁结构的能量发生器，其螺旋式悬 臂梁结构如图1 - 8 所示，实验结果表明图1 8b ) 所示悬臂梁结构具有1 5 0 h z 的谐振 频率，可以输出0 2 0 7 m w 的能量。 2 0 0 8 年，j l i u 等人采用m e m s 技术制作p z t 薄膜能量收集器阵列，以改善 频率范围和能量输出【1 6 1 。其结构如图1 - 9 所示，结构尺寸为：s i 膜厚1 2 p m ，p z t 膜厚3 2 9 m ，梁长宽在2 0 0 0 3 5 0 0 p m 和7 5 0 1 0 0 0 p m ，梁的自然频率在2 0 0 - 4 0 0 h z 。 实验结果表明，该发生器能产生3 9 8 p w 的电能，并且能给负载电阻提供3 9 3 v 的 直流输出电压。 图1 9 悬臂梁阵列 f i g 1 - 9p i c r n - eo fp o w e rg e n e r a t o ra r r a yp r o t o t y p e 随着m e m s 技术的发展，基于人体机能的能量系统的研究备受关注【1 7 1 。其中 能量系统主要包括呼吸能量系统【】8 】、血压能量系统1 9 1 、行走步伐能量系统【2 0 ，2 1 1 等。 麓。，墨蜘“帅 图i - 1 0 用于鞋内底的p v d f 结构 f i g 1 1 0p v d fs h o ei n s o l e 1 9 9 8 年，k y m i s s 等人制作了由塑料薄片，p v d f 薄片和电极组成的器件圈。 该器件可应用于运动鞋中，结构如图1 1 0 所示。p v d f 薄片通过压电材料的d 3 l 模式产生电荷。当步法频率为0 9 h z 时，可以为2 5 0 k q 的负载提供1 3 m w 的电能。 2 0 0 1 年，s h e n c k 等人制作了可压缩的双压电晶片结构【2 3 1 ，如图1 1 1 所示。该 结构由双晶片和t h u n d e rt h 6 r 压电传感器组成。该压电传感器由不锈钢薄片， p z t 薄膜和a l 电极组成。随着鞋跟的碰撞，传感器发生形变；鞋跟离地，传感器 一6 第1 章绪论 又恢复形变。结果表明每次都会随着0 9 h z 的激励产生电压，当负载为5 0 0 k q 时， 产生8 4 m w 的能量。 图1 1 1 双压电晶片结构 f i g 1 11s c h e m a t i co f t h ep i e z o e l e c t r i cd i m o r p h 综上所述，能量收集器的结构主要以悬臂梁为主，且可与m e m s 加工工艺兼 容，具有体积小、无污染、寿命长等优点。因此，本文采用m e m s 工艺制作悬臂 梁结构p z t 电能收集器。其中，p z t 薄膜的制备尤为关键，下面简要介绍p z t 薄 膜的制备方法。 1 3p z t 制备方法 目前，p z t 薄膜的制作工艺应用最为广泛的包括脉冲激光沉积法( p u l s e dl a s e r d e p o s i t i o n ，p l d ) t 2 4 ，2 5 婀，化学气相沉积法( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，c v d ) 口7 - 3 0 1 ， 射频磁控溅射法( r a d i of r e q u e n c ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，r r ) t 3 1 ，3 2 ，3 3 1 ，水热合成法 ( h y d r o t h e r m a ls y n t h e s i s ) t 3 4 ，3 5 ，3 6 1 ，金属有机化合物热分解法( m e t a lo r g a n i cd e c o m - p o s i t i o n ，m o d ) t 3 刀以及溶胶一凝胶法( s 0 1 g e l ) 3 8 ，3 9 , 4 0 垮。 1 脉冲激光沉积法 脉冲激光沉积是将激光经过透镜投射到靶上，使该区域的物质择优的沿靶的 法线方向运动，形成羽辉【4 1 1 ，沉积在衬底上形成薄膜。该方法最大的优点是制备 薄膜的化学计量比与靶材的化学计量比很接近。 2 化学气相沉积法 化学气相沉积法是通过反应物质在气态时发生化学反应，生成固态物质沉积 黑龙江大学硕士学位论文 在基体表面，形成薄膜的工艺技术。化学气相沉积具有以下优点【4 2 】： ( 1 ) 制备薄膜的原料组成成分是以气态形式传输到反应室内，可以通过改变 气体流量控制薄膜的化学计量比； ( 2 ) 仅需在衬底区域均匀加热，结构简单，可制备大面积薄膜，适于批量生 产； ( 3 ) 速率高，均匀性好，重复性好。 3 溅射法 溅射是物理气相沉积( p v d ) 薄膜制备技术的一种，主要分为：直流溅射、交流 溅射、反应溅射和磁控溅射【4 3 1 。这种方法是用带电粒子轰击靶材，被加速的离子 轰击到固体表面时，发生固体表面原子碰撞，同时发生能量和动量的转移，使靶 材原子从表面逸出并沉积在衬底上制成薄膜。射频磁控溅射的优点是可以满足高 密度集成电路的需要，缺点是重复性差。 4 水热合成法 水热合成是指温度在1 0 0 1 o o o 、压力在i m p a 1 g p a 条件下，利用水溶 液中物质化学反应进行合成的工艺。由于一般p z t 薄膜的制各方法需要经历高 温退火的晶化过程，在冷却过程中，p z t 薄膜会经历从顺电相到铁电相的过程， 因此提出利用水热合成法制备p z t 薄膜，使其在p z t 薄膜的居里温度以下合成 p z t 薄膜，无需经过相变的过程。其优点是：制各薄膜纯度高，分散性好。 5 金属有机化合物热分解法 采用金属有机化合物热分解法( m o d ) 研制锆钛酸铅( p z t ) 薄膜。基本原理是把 金属有机化合物溶于溶剂中，并将这些溶剂按一定比例混合，随后加热除去有机 化学成分，并进一步加热使金属有机化合物分解制成薄膜。m o d 工艺有5 个方面 的优点： ( 1 ) m o d 工艺反应活性高，薄膜致密性好； ( 2 ) 可以制备化学成分单一的大面积薄膜； ( 3 ) 可以进行掺杂改性； 第1 章绪论 ( 4 ) 工艺简单、成本低廉。 6 溶胶凝胶( s ol - g e l ) 法 溶胶一凝胶法是将易水解的金属醇盐或无机盐溶解于有机溶剂中并与水发生 反应，通过调节溶液的酸碱度和组成成分的化学计量比，经过水解与缩聚过程形 成一定粘度的凝胶h s i ，经过匀胶形成凝胶膜，通过干燥和热处理去除有机成分和 水，最后通过高温退火的晶化过程形成晶态薄膜。其优点如下： ( 1 ) 制备过程温度低，易于控制； ( 2 ) 所制备的薄膜可达到分子级均匀，可以严格控制薄膜的化学计量比； ( 3 ) 所制备的薄膜均匀性好，纯度高； ( 4 ) 无需在真空和高温条件下制备，可以在大面积或任意形状的衬底上制备。 本文采用溶胶一凝胶( s o1 - g e l ) 法制备p z t 薄膜，下面介绍制备的p z t 薄膜典 型的溶胶凝胶( s ol - g e l ) 法。 图l 一1 2p z t 溶胶配制流程图 f i g 1 - 1 2f l o wc h a r tf o r t h es y n t h e s i so f p z ts o l 2 0 0 1 年，赵宏锦等人【3 8 1 采用溶胶凝胶( s o1 - g e l ) 法制备了p z t 薄膜，实验结 果表明，在6 0 0 9 c 的晶化温度条件下可以获得完善的钙钛矿铁电相结构。s o l - g e l 法配胶工艺流程如图1 1 2 所示。 2 0 0 8 年，刘红梅【3 9 】提出o 3 复合法制备p z t 薄膜，该方法有效提高膜厚，并 改善膜表面粗糙等问题。主要制备过程如图1 1 3 所示。采用旋转涂沫法制作p z t 薄膜，转速采用5 0 0 0 r m i n 匀胶3 0 s 。每层旋涂完毕，放入干燥箱中，温度设置为 2 0 0 ，烘烤2 m i n ，在4 0 0 c 退火炉中进行3 m i n 晶化处理。多次重复上述过程可 获得厚度约为6 0 0 n m 的薄膜。 图1 1 3 多层p z t 薄膜的制备 f i g 1 - 1 3f l o wc h a r to f f a b r i c a t i n gp z tt 1 1 i c kf i l m 1 4 本课题研究内容 1 借鉴压电能量收集器件的国内外研究进展和发展趋势；以及在实际中的应 用，分析p z t 电能收集器的工作原理，研究压电材料的压电效应的基本原理及理 论计算；悬臂梁的工作模式；p z t 电能收集器输出电路的基本原理。 2 通过对能量收集器的结构设计与研究，利用相关软件进行模拟分析，并模 拟工艺流程，设计版图。研究能量收集电路，设计简单的整流电路结构。利用电 路模拟软件对所设计电路进行仿真分析。 第1 章绪论 3 研究压电薄膜的制备工艺，m e m s 悬臂梁的刻蚀工艺以及p z t 电能收集器 的制备流程。 4 对所制备的p z t 电能收集器进行测试，并得出结论。 第2 章能量收集的基本原理 2 1 振动能量收集的转换机制 将振动能转换成电能的能量收集器已经有多方面的研究。其能量转换形式主 要包括压电转换、静电转换和电磁转换三种形式。压电、静电和电磁能量收集器 是利用振动偏移驱动它们各自的收集器件。驱动能量收集器最普通的方式是使用 惯性弹簧质点的方法。能量收集装置可以简化为如图2 1 所示的结构削，包括：集 中质量，集中弹簧或悬臂梁，集中阻尼器和能量收集器壳体。图2 1 中的转换装置， m 、k 和d 分别表示集中质量、弹性系数和阻尼。当该能量收集器振动时，质量 块与收集器壳体发生振动，由于质量块的惯性，使质量块与壳体之间产生相对位 移，该位移的变化模式是正弦模式，因此能驱动适当的传感器产生电能。 图2 1 能量收集器的简化装置 f i g 2 1as i m p l i f i e dd e v i c eo f e n e r g yh a r v e s t i n g 设能量收集器的集中质量位移吩、振动壳体位移y ( 0 、集中质量块与振动壳 体之间的相对位移z ( 力，即 z ( f ) = x ( f ) - y ( t ) ( 2 1 ) 根据牛顿第二定律有 所学刊业d t 制d衍2 ( 2 2 ) 将z ( o = x ( o - y ( o 代入上式为 掰丁d2z(t)-y(t)：一d掣一耙(f) ( 2 - 3 ) 衍2西 将上式改写为 研了d 2 z ( t ) + d 警嘲垆一所争 ( 2 - 4 ) 功2国 击。 式中，卜质量块的质量； 卜质量块的弹簧系数； 扛质量块的阻尼系数。 由于质量块与能量收集器的振动壳体的相对位移是z ( o ，于是有 f = k z ( t ) ( 2 - 5 ) 通过由质量块产生的力和质量块的速度可以得到质量块的瞬时转换能量删 舯刊警+ 掣l 协6 ) 当能量收集器振动时，将产生阻尼过程和机械能到电能的转换。假设能量收集器 振动时为正弦y ( t ) = y o c o s ( 0 9 0 ，则该转换能量为 式中f 阻尼因子； q 谐振角频率； p = m - y 0 2 ( c d ) c 0 3 胡坤f 毒2 ( 2 7 ) k 振动幅值； 0 3 角频率。 对于振动能量收集器，能量转换效率依赖于阻尼因子。对于高阻尼因子，当 操作频率接近谐振频率时，机械能的转换效率最大；然而，当操作频率与谐振频 率相差很多时，能量转换效率会迅速下降。相反，对于低阻尼因子，当操作频率 接近谐振频率时，能量转换效率很低；然而，随着频率的变化，能量转换效率不 会像高阻尼系统那样下降的那么快。基于方程( 2 7 ) ，对于角频率和谐振频率相似， 能量收集器的振动位移和内部转换机制的集中质量也是影响能量转换的因子，因 子越大，该能量收集器的能量转换效率越高。 2 2 压电能量收集 2 2 。1 压电能量收集理论 当沿某一特定方向对某些晶体施加一定载荷时，会使该晶体由于机械形变而 产生极化现象，并且在晶体的两对应表面产生符号相反的等量电荷；当外加载荷 消失后，晶体表面电荷也将消失，即晶体恢复为不带电状态，称这种现象为晶体 的压电效应( p i e z o e l e c t r i c e f f e c t ) ，可用图2 - 2a ) 来表示晶体的压电效应。当施加 极 正压电效应 机械能 蘑互二 至至里盟) 电能 逆压电效应 b ) 图2 - 2 压电效应示意图 a ) 压电效应b ) 压电效应的双向转换 f i g 2 - 2i l l u s t r a t i o no f p i e z o e l e c t r i ce f f e c t a ) p i e z o e l e c t r i ce f f e c tb ) b i d i r e c t i o n a lc o n v e r s i o no f p i e z o e l e c t r i ce f f e c t 载荷的方向发生变化时，该晶体表面产生的电荷极性也将发生改变。晶体由于压 电效应而产生的电压的频率与施加的动态载荷的频率相同；若将动态载荷变为静 态载荷，晶体表面产生的电荷将很快消失。与之相反，当在晶体的极化方向施加 一定的电场或电压时，晶体将会产生机械形变；当外加电场或电压消失后，晶体 形变消失，恢复为初始状态，称这种现象为晶体的逆压电效应。由此可见，压电 元器件可实现机械能与电能之间的双向转换 4 7 ，4 8 ，4 9 】，其图解如图2 2b ) 所示。 2 。2 ，2 压电材料的压电效应 2 2 2 2 压电陶瓷的压电效应 1 8 8 0 年j a c q u e s 和p i e r r ec u r i e 发现，某些晶体和陶瓷在机械应力或应变条件 下会发生极化现象，具有压电效应刚。其中，人工制造的现代材料，像钛酸钡和 锆钛酸铅( p z t ) 的压电特性已有相当大的改善。 压电陶瓷是人工制作的多晶铁电体物质，与石英晶体不同，压电陶瓷经过极 化处理后才具有压电效应，如图2 - 2a ) 所示，该物质在有外加载荷，作用时，产生 的电荷量q 与，成正比关系，如下 q = 如3 f ( 2 8 ) 式中磊3 压电陶瓷的纵向压电常数。 压电材料( 如p z t ) 在极化之前，晶格的结构是对称的【5 1 ，5 2 1 。在居里温度之下， 材料的晶格结构变形并且变得不对称，晶格显示极化，即p z t 材料的单个晶胞显 示压电特性。但是，材料晶粒形状的随机分布，材料不能显示全面的压电特性。 然而，由于材料的铁电性，在居里温度以上，将压电材料加热并置于强磁场下， 磁场使压电材料的离子沿磁场方向重新排列，使之极化。 2 3 压电模式( 吃，和以，) 的对比 p z t 薄膜能够被极化，并在电场方向产生电流，其分为两种模式：d 3 1 ( 横向) 模式，即电流方向垂直于电场方向；d 3 3 ( 纵向) 模式，即电流方向平行于电场方 黑龙江大学硕士学位论文 向陆5 9 1 。d 3 1 和冼3 模式结构如图2 3 所示。对于冼l 模式，当悬臂梁发生上下振动 时，压电薄膜产生极化和应变。在横向方向上制作电极，并与极化方向垂直，如 图2 3a ) 所示。对于以3 模式，有效电极为如图2 3b ) 所示的叉指电极( i d e ) ， 用来收集法线方向的极化效应。 6 1 膜 f a )b ) 图2 - 3d 3 l 和函3 模式结构示意图 a ) 以l 模式b ) 如3 模式 f i g 2 3i l l u s 仃a t i o no f d 3 1a n dd 3 3 a ) 冼lb ) d 3 3 虽然冼3 模式的介电常数是盔1 模式的2 倍，但d 3 3 模式又指电极的电荷密度要 比以，模式的小得多。如3 模式的输出电压与其又指电极有关，以1 模式的输出电压 取决于p z t 膜的厚度。 以，模式下，电极面积过大，通常产生低阻抗高电流。对于要求相对较小的电 压输出，这种模式就受到限制。其输出电压由上下电极之间的压电薄膜的厚度决 定，可以通过公式( 2 9 ) 确定： k = 仃。9 3 1 h ( 2 9 ) 式中万。悬臂梁的纵向应力； g ，谒1 模式的压电常数； 日上下电极之间的厚度即p z t 膜的厚度。 以3 模式使用i d e 的转换输出与电极的面积和两个电极条之间的距离有关。图 2 3 给出叉指电极和尺寸的图解。从i d e 的输出电压由两个电极的距离z ，和在开 路下输出电压决定： 吃= 仃。9 3 3 ， ( 2 1 0 ) 式中g ，谒3 模式的压电系数。 通过适当的距离z 在如3 模式下得到期望的电压。同时，函3 模式转换产生的是 高阻抗，小电流。随着，的增加，电压水平提高，在限定的梁长度三上，叉指的数 量减少。i d e 的电极面积通过( 2 11 ) 式确定，当输出阻抗与负载电阻( r 叫) 相 同时，输出能量最大，负载电阻可通过( 2 1 3 ) 式决定。 a = w t ( n 一1 ) ( 2 1 1 ) c - - - o o 了a ( 2 - 1 2 ) = 瓦知 ( 2 - 1 3 ) 式中卜压电薄膜的厚度； 肛_ i d e 叉指的数量； c _ 一电容； a 旷一真空节点常数； 岛一介电常数； 户一谐振频率。 在极化条件，结构尺寸相同的条件下，吨l 与西3 的对比见表2 1 。盔，模式可以 表2 1d 3 1 与d 3 3 的对比 t a b l e2 1c h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i s o nb e t w e e nd 3 1a n dd 3 3 通过极化条件( 如较高的温度或施加d c 电场) ，使输出电压增加；相反，吨3 模 式则不能：同时，以，模式比如3 模式的输出能量高，足够驱动整流电路及电荷的存 储。 综上所述，本文采用如1 模式。 2 4 悬臂梁的理论计算 2 4 1 压电悬臂梁的应力分量 本文采用的压电悬臂梁结构如图2 4 所示，悬臂梁的长度为厶高为h ，宽度 为b ，其自由端受一集中力f ，梁的重力忽略不计，对该压电悬臂梁结构进行应力 分量的分析 6 0 - 6 8 1 。 ) ， 图2 - 4 压电悬臂梁结构 f i g 2 - 4t h es t r u c t u r eo f p i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rb e a m 根据压电悬臂梁结构的特点，有 q = o ，= = o ，髟= 一a 叫砂= 0 岛= = o ，q = o ，勺= s 1 2 吒q - s 1 3 仃：+ 呜l 巨 相应的物理方程为 川若絮s 1 3 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 、0l，j e t ，1l rj 以以o o o 西 。l + 、l，j 吒吒k rcl1j o o 第2 章能量收集的基本原理 阱陵曼 压电悬臂梁的控制方程如下： 力学平衡方程为 电学平衡方程为 力学几何方程为 电学几何方程为 应变协调方程为 电场强度协调方程为 台 至 + 1 曼 主 c 2 一，7 ) 堡+ a d z ：o 瓠a z h 2 卦0 w 苏 i ，、 旦r 瑟i li aai 。 瑟缸i 主 = 二萋 痧 a 2 c ；= + 姿一盟：o 瑟2 。缸2缸瑟 。 a e x a e z 瑟苏 由方程( 2 1 8 ) 可知，必有应力函数f g ，z ) ，使 1 9 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) | i l l 堡瑟堕缸堕西堕瑟 黑龙江大学硕士学位论文 仃：堡，仃：堡，f ：一a 2 f ( 2 2 4 ) q 2 可吒2 万乞2 瓦夏 “ 同理，由方程( 2 2 1 ) 和方程( 2 2 3 ) 可知，存在电势函数痧g ，z ) ，将方程( 2 2 4 ) 和方程( 2 2 1 ) 代入方程( 2 1 7 ) 得 阱窿 0 吃， 将方程( 2 - 2 5 ) 代入方程( 2 1 9 ) 得 仳 = 封沼御 d 3 3m 划 1 掀0 3 f ：垴窘喃窘喃窘= 。 协2 6 ， 将方程( 2 2 4 ) 和方程( 2 。2 1 ) 代入方程( 2 1 4 ) 得 眺 将方程( 2 2 7 ) 代入方程( 2 2 2 ) 得 + 旺 ( 2 2 7 ) 等峨+ ) 筹蝎。警喝窘+ 瓴，吨) 嘉州2 璐) 由方程( 2 2 6 ) 可得 塑i g x 2 = 砉陋一划掀3 f 。+ d ，0 如3 _ _ f f