（机械制造及其自动化专业论文）收集振动能的压电微电池设计和制作工艺研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 m e m s 技术的不断发展，使人们制造出众多的m e m s 器件和产品，但是如何给 m e m s 器件供能成了目前亟待解决的问题。传统的电池由于尺寸太大难以集成到m e m s 产品中，同时m e m s 装置迫切需要的不是大的功率而是长的使用寿命，因此对于长寿 命微小型电池的研究非常有必要。 收集环境中的能量来给微系统供能引起了人们越来越多的关注。振动能在环境中随 处可见，且没有污染，如果能够对其进行收集并加以利用，将是很好的发电方式。将振 动能转换为电能的方式主要有电磁转换、静电转换、压电转换等等，本文主要探索了振 动能到电能的压电转换方式。 本文意在设计一种带有质量块的硅微压电悬臂梁，当受到外界激励时，悬臂梁振动 并弯曲，利用压电薄膜的正压电效应产生电荷，通过外电路对输出电荷进行收集和处理， 从而作为微电池为微功耗器件供能。 论文首先对收集振动能的压电微电池进行结构设计和仿真。根据质量弹簧一阻尼 系统的振动原理得出要制作的微悬臂梁结构，根据材料力学和压电理论对该振动能收集 系统进行简单的理论推导，并用有限元分析软件a n s y s 进行仿真，通过模态分析和谐 响应分析，得到悬臂粱的几何参数与系统的固有频率及输出电压的关系，为后续悬臂梁 的制作提供了参考。 p z t 铁电薄膜是实现机械能向电能转换的关键，本文采用溶胶凝胶法来制备p z t 铁电薄膜。通过反复实验，对溶胶的浓度、配比、水浴温度等参数进行调整，得到了透 明澄清、性能稳定的p z t 溶胶。通过改变甩胶的速度、时间，热处理的温度等参数，制 得了表面平整、无裂纹的p z t 薄膜，该p z t 薄膜沿( 1 1 1 ) 方向择优生长，具有一定的压 电性，可以用于微悬臂梁结构中进行能量的转换。 根据论文第二章仿真的结果，对制作悬臂梁所需的掩模版进行设计，并利用光刻、 氧化、溅射、湿法腐蚀、剥离、i c p 刻蚀等工艺，制备出集成了压电薄膜p z t 的微悬臂 梁结构，得到了一套可行的工艺方案。最后制备的悬臂梁电极有三明治结构和梳齿结构 两种。 关键词：微机电系统；微电池；振动能；压电悬臂梁；锆钛酸铅薄膜 收集振动能的压电微电池设计和制作工艺研究 r e s e a r c ho nd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fp i e z o e l e c t r i cm i c r o b a t t e r yf o rv i b r a t i o ne n e r g ys c a v e n g i n g a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fm e m s a1 0 to f 匝m sd e v i c e sa l em a n u f a c t u r e d , b u th o wt o p o w e rt h e mb e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m s t h et r a d i t i o n a ls o l u t i o ni st ol i s c b a t t e r i e s , b u tt h e ya r cu n d e s i r a b l ef o rm a n yr e , a s o 丝：t h e yl e n dt 0b eq u i t eb u i k - y , c o n t a i na f i n i t ea m o u n to fe n e r g y , a n dh a v eal i m i t e ds h e l fl i f e s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt or e s e a r c hl o n g l i f e t i m ea n dm i c r o m i r f i a m r ec e l l s e n e r g yh a r v e s t i n gf r o mt h ee n v i r o n m e n th a sb e e na c t i v e l ye x p l o r e du s i n gs e v e r a l m e t h o d s m o s to fa l l , m e c h a n i c a lv i b r a t i o n , e x i s t i n ge v e r y w h e r ea r o u n du sa n dw i t h o u t p o l l u t i o n , i sap o t e n t i a lp o w e rs o u r c ew h i c hi se a s i l ya c c e s s i b l et h r o u g hm e m st e c h n o l o g y t h e r ea r ct h r e eb a s i cm e c h a n i s m sb yw h i c hv i b r a t i o n sc a nb ec o n v e r t e dt oe l e c t r i c a le n e r g y ： e l e c t r o - m a g n e t i c ，e l e c t r o s t a t i ca n dp i e z o e l e c t r i c i nt h i sp a p e rt h ep i e z o e l e c t r i cc o n v e r s i o ni s e x p l o r e dt oc o n v e r tm e c h a n i c a le n e r g yt oe l e c t r i c a le n e r g y am i c r o - c a n t i l e v e rb e a mw i t has e i s m i cn l 越l sa d d e dt ot h ee n di sd e s i g n e di nt h i sp a p e r w h e nt h es y s t e mi ss t i m u l a t e db ya m b i e n tv i b r a t i o ns o d r c e s , t h em e c h a n i c a ls t r l l c t u r e d e f o r m s ，s t r e s s e sa r et h e ni n d u c e di nt h ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a la n de l e c l r i cc h a r g ei s g e n e r a t e dw i t hd i r e c tp i e z o e l e c t r i ce f f e c t 。s t o r i n gt h i sk i n do fe n e r g yt h r o u g hc a p a c i t o r so f r e c h a r g e a b l eb a t t e r i e sc a n b eu s e da sam i c r ob a t t e r yt od r i v em i c r o - p o w e ra p p a r a t u s f i r s t l yt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h ep i e z o e l e c t r i cm i c r ob a t t e r ya r ei m p l e m e n t e d a c c o r d i n gt o t h et h e o r yo ft h em a s s s p r i n g - d a m p e rs y s t e m , t h es t r u c a l r eo ft h em i c r o c a n t i l e v e rb e a mi se s t a b l i s h e d n 地c o n v e r s i o nt h e o r yi sd e r i v e ds i m p l yb a s e d0 1 1t h em a t e r i a l m e c h a n i c sa n dp i e z o e l e c t r i ct h e o r y u s i i l gf i n i t e - e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s8 1 t h e r e l a t i o n so fg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h ec a n t i l e v e rb e a mv sn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dp o t e n t i a l d i f f e r e n c e sa r eo b t a i n e dt 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 ca n a l y s i s t h i sr e s u l tc a nb e u s e dt 0d e s i g na n dm a n u f a c t u r et h ec a n t i l e v e rb e a mi nt h ef u t u r e p z tf e r r o e l e e t r i cf i l mi sak e yt e c h n i q u ef o rt h ec o n v e r s i o no fm e c h a n i o a le n e r g yt o e l e o t r i e a le n e r g y i nt h i sp a p e r , s o l - g e lt e c h n i q u ei se m p l o y e dt 0p r e p a r eap z t p i e z o e l e c t r i c t h i nf i l m e x p e r i m e n t a l l y ，b ya d j u s t i n gt h ec o n e e n l r a t i o na n dm i x t u r er a d i oo ft h es o l u t i o n , t e m p e r a t u r eo ft h ew a t e rb a t ha n ds oo n , t h el r a u s p a r e ma n ds t a b l ep r e c u r s o rs o l u t i o ni s o b t a i n e d b yc h a n g i n gt h ev e l o c i t ya n dt i m eo fs p i n - c o a t i n g , a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n d o t h e r w i s e ，t h ep z tf i l ms h o w sg o o ds u r f a c i n g , w i t h o u tc r a c k s ，a n dp r e f e r r e d ( 1 11 ) o r i e n t a t i o n i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 t h i sp z tf i l mr e p r e s e n t sp i e z o e l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa n dc a nb ei n t e g r a t e dw i t ht h em i c r o c a n t i l e v e rb e a ms t r u c t u r e b a s eo nt h es i m u l a t i o ni nt h es e c o n dp a r to ft h ep a p e r , t h em a s k sf o rm a n u f a c t u r i n g m i c r oc a n t i l e v e rb e a ma r ed e s i g n e d u t i l i z i n gm e m sp r o c e s s i n gt e c h n i c s ，s u c h a s p h o t o l i t h o g r a p h y ，o x i d i z a t i o n , s p u t t e r ，w e te t c h i n g , l i f t - o f f , i c pe t c h i n ga n d s oo n , t h em i c r o s u s p e n s i o nb e a mi n t e g r a t e dp z tf i l mi sp r e p a r e d ，a n daf e a s i b l es c h e m e t of a c t u r ec a n t i l e v e r b e a mi so b t a i n e d f i n a l l yt h ec a n t i l e v e rb e a mw i t hs a n d w i c he l e c t r o d ea n di n t e r d i g i t a t e d e l e c t r o d ea r ec o n s i d e r e d k e yw o r d s ：m e m s ；m i c r ob a t t e r y ；v i b r a t i o ne n e r g y ；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 p z t f i l m - i i l 硕士学位论文 收集振动能的压电微电池设计和制作工艺研究 r e s e a r c ho nd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo f p i e z o e l e c t r i cm i c r ob a t t e r yf o rv i b r a t i o ne n e r g ys c a v e n g i n g 国家自然科学基金资助项目项目批准号：5 0 4 7 5 1 5 3 新世纪优秀人才支持计划项目批准号：n c e t 一0 4 0 2 6 6 作者姓名：毯龌至 学科、专业： 圭l 越剑造及甚自动化 学号：2 丝q 4 鳢 指导教师：益金奎敛授 完成日期：2 q q ：1 2 = 2 1 大连理工大学 d a l i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：枢缝垦日期：c 递丛三! 盔整堡三盔堂堡主堕塑竺竺垡笙塞 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电予 版，允许论文被查阅和倍阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：耋丛选量 导师签名：磁坠 冽年垒月五日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1m e m s 技术概述 微电子机械系统( 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 ，m e m s ) ，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，集成了微机械元件、微传感器、微机械 执行器、微电子元件、电路和供能部件的器件或系统f l 】。 m e m s 的加工技术主要有三类 2 1 ：( 1 ) 精密机械加工技术( 如微细电火花e d m 、超 声波加工等) ，是以日本为代表的传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利 用小机器制造微机器的方法；( 2 ) 在集成电路技术( i c ) 基础上发展起来的硅m e m s 加工 技术，以美国为代表；( 3 ) 利用x 射线深度光刻、微电铸、微铸塑的l i g a 技术( 德文 l i t h o g r a p h i e g a l v a n o f o r m u n g u n d a b f o r m u n g 简写) ，主要研究力量在德国。 m e m s 技术使用现有批量化的微加工技术制造出尺寸与集成电路大小相当的多功 能微系统。该技术主要呈现以下特征【3 】= ( 1 ) 微型化 ， m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。m e m s 与一般的机械系统相比，不仅是体积的缩小，而且在力和运动原理、材料特性、加工、 测量和控制方面都将发生很大的变化。 ( 2 ) 以硅为主要材料 硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨，机 械电器性能优良，而且地球表面有2 8 的硅，几乎是取之不尽的，使m e m s 产品在经济 性方面更具竞争力。 ( 3 ) 批量生产 m e m s 采用类似集成电路( i c ) 的生产工艺和加工过程，用硅微加工工艺在一片硅片 上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的m e m s ，使m e m s 有极高的自动化程 度，大大降低了生产成本。 ( 4 ) 集成化 m e m s 可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一 体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复 杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的 微型机电系统。 ( 5 ) 多学科交叉 收集振动能的压电微电池设计和制作工艺研究 m e m s 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种 学科，并集中了当今科学技术发展的许多尖端成果，同时也为上述学科的进一步研究和 发展提供了有力的工具。 1 2 微能源及其研究现状 随着大规模集成电路制作技术的迅速发展，微型机械从单元到系统都得到了迅猛发 展，人们已经制造出众多的m e m s 器件和产品，而微电池的发展却相对滞后，如何给 m e m s 器件供能成了目前亟待解决的问题。 比如当前研究比较热门的无线传感器和执行器网络，就对能源提出了新的要求。这 种网络有很多潜在的应用，比如可以用于监控商业建筑物内的温度、光线强度或者人所 在的位置，以便更高效的控制环境的变化：在车流量比较高的路段监测有害化学物质； 监控飞行器中疲劳裂纹的形成；监控汽车轮胎内的加速度和压力等等。i c 工艺、低功率 电路设计以及网络技术的发展，使无线传感器节点所需的总功率减少到了l g w ，但是这 些节点只能形成传输距离l m 1 0 m 的网络群，如果传输距离超过1 0 m ，则传输数据所 需的能量将占整个系统能量的绝大部分【4 】。因此，在进行传感器设计时，应该用多个低 功率、低成本的节点来代替大的传输距离，这样就导致整个网络内节点密集。而在密集 型网络内，如果用导线或更换电池来驱动节点需要很大的成本，因此如何驱动大量节点 的问题就变得非常重要。 目前，不可充电的锂电池能够提供的能量为8 0 0 w h l ，如果一个1 c m 3 的电子装置 平均耗电量为1 0 0 t t w ，那么该装置能够持续工作8 0 0 0 小时或者3 3 3 天，接近一年。这 实际上是个理想的消耗，因为随着电压的降低，系统的整个性能都会下降。很明显一年 的使用寿命对传感器网络的应用是远远不够的。同时微电子芯片技术的发展，使各类微 小传感器、微小执行器和其它微小型装置不断涌现，无线传感器节点的传感器和电子器 件远小于l c m 3 ，而电池的尺寸往往很大，这样电池就决定了整个系统的体积。因此为 无线传感器和执行器节点选择可用的驱动方法是十分必要的。 为了解决微系统中的能源问题，美国、日本、韩国、英国、欧共体等都相继开展了 对微能源的研究，对这些微能源进行简单的划分主要包括：燃料型微电池、储能型微电 池、核能微电池和收集环境能微电池等。 1 2 1 燃料型微电池 燃料型微电池需要不断的给系统补充燃料，主要有微型内燃料发动机系统和微型燃 料电池两种。 ( 1 ) 微型内燃料发动机系统 一2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 微型内燃料发动机系统的结构与大型涡轮燃料发动机相似，通过液态的碳氢化合物 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，比如带动微发电 机输出电能或提供推进动力，微涡轮机的叶轮同时驱动压缩机，压缩机吸入空气或是助 燃剂，保证燃料继续燃烧。 由于碳氢燃料有很高的能量密度，所以微型内燃料发动机有更高的能量密度和更大 的输出功率，但是也存在以下问题：( 1 ) 当微内燃机的体积变得很小的时候，热量和摩 擦的损失问题将变得很显著，这会引起许多问题，比如燃料不能稳定持续地燃烧，容易 熄火，系统的转化效率也不会很高。( 2 ) 为获得高的功率密度，微型涡轮必须以2 5 r m i n 的角速度高速旋转，因此必须采用高强度的新型材料。同时燃料燃烧时的温度有上千度 甚至更高，这就需要耐高温材料和隔热保温材料。 图1 i 为麻省理工大学( m r r ) 气体涡轮实验室研制的微型涡轮发动机f ”。微型的涡轮 叶片只有衬衫的纽扣大小，直径为4 m m ，他们制造了2 m m 长的燃料室，材料是硅，制造 工艺与i c 工艺相似。他们希望在硅片上制造质量仅为l g 的涡轮发电机，能够输出l o 2 0 w 的电能。 图1 1 微型涡轮叶片 f i g 1 1b l a d eo f m i c r ot u r b i n ei ns h i r t - b u t t o ns i z e ( 2 ) 微型燃料电池 燃料电池是一种等温、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效( 5 0 0 o 7 0 ) 、 环境友好的转化为电能的发电装置。燃料电池有高的比能量，有较高的能量转换效率， 无运动部件，没有污染，可以安静和连续地工作等优点【5 ，6 t 7 】。 图1 2 为清华大学研制的甲醇燃料电池【7 】，整个电池的尺寸为1 4 m i n x l 2 m i n x l 5 m m 。 室温常压下，阳极通入甲醇溶液，阴极通入空气时，单电池的开路输出电压为0 4 v ， 但输出电流较低，在1 0 0 x a 以内。当输出电压为0 2 1 v 时，最大输出功率为2 1 1 r t w c m 2 。 因为碳氢化合物燃料有很高的比能量又比氢稳定，因此人们在考虑以它们为燃料。 可是燃料电池一般不能直接使用碳氢化合物，这就需要燃料转化器将碳氢燃料转化为 收集振动能的压电微电池设计和制作工艺研究 可以使用的氢气。所以未来的微型燃料电池很可能就是集成了微型燃料罐、微型燃料 转化器、微型燃料电池和各种温度、流量微传感器、微阀门的体系。而成本就会成为 限制燃料电池发展的一个主要因素，尤其是在利润较大的电子消费品市场。 图1 2 微型燃料电池实物图 f i g 1 2p i c t u r eo f m i c r of u e lc e l l 1 2 2 储能型微电池 储能型微电池主要包括微型锂蓄电池和微型锌镍电池两种。 ( 1 ) 微型锂蓄电池 微型固体电解质锂电池采用微电子工艺将正电极薄膜、阴极薄膜、电解质薄膜、阳 极薄膜和负极薄膜一层一层沉积在衬底上制成，有比较高的比能量( 1 0 0 2 0 0 a 1 1 l 【曲和 优良的循环使用性能，一般都制成薄膜电池的形式。微型锂电池用的固体电解质需要高 的锂离子电导率、低的电子电导率、良好的电化学稳定性和热稳定性，且要求长的使用 寿命，而且固体电解质的使用使放电速度受到了限制t l , $ l 。 图1 3 是美国o a k r i d g e 国家实验室用物理溅射的方法制备的全固态薄膜电池【l 】。电 池厚度为1 5 1 m a ，比能量达到2 5 0 m a h g ，电池经过4 0 0 0 0 次循环后容量损失小于5 。 图1 3 薄膜锂蓄电池的截面图 f i g 1 3c r o s ss e c t i o np i c t u r eo f r e c h a r g e a b l et h i nf i l ml i t h i u mb a t t e r y ( 2 ) 微型锌镍电池 一4 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 锌镍电池的正极是氧化镍，负极为锌，氢氧化钾的水溶液为电解液。在电池的各个 部件都制作好后，注入电解液，然后用聚合物薄膜将微电池封装好。锌镍微电池由于采 用液态电解液，所以放电电流较大，但是对电池的密封是一大难题。如果封装不良，在 这种微电池充放电循环过程中会造成电解液损失，影响电池的寿命。 图1 4 为美国b n 西a a my o u n g h 大学( b y u ) 和b i p o l a rt e c h n o l o g i e s 公司联合开展的用 于m e m s 和其它微电路的微型锌镍电池【l , 9 1 。利用与m e m s 和其它集成电路相同的低成 本、高效率生产工艺制作，电池可制成各种形状、尺寸。电池最小边长5 岫，最大5 m m ， 典型微电池的容量为5 0 0 础m 2 ，在一个硅片上可以同时制作1 2 0 0 个微电池。 图1 4 微型z n n i 电池的s 删图 f i g 1 4s e mi m a g eo f m i c r oz n - n ib a t t e r y 1 2 3 核能微电池 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来工 作，因此又称为放射性同位素微能源。这种电池体积小，重量轻，能量密度高，由于放 射性物质的半衰期有些有几十年，所以有很长的使用寿命。 同位素微能源主要有两种典型结构 1 0 , l l 】：其一是基于b 辐生伏特效应的p - n 结结构， 主要由p - n 结、同位素源和电极组成；另一种是基于压电效应的微悬臂梁放射性同位素 电池结构，利用同位素衰变放射出高能离子使放射源和吸收体带异种电荷，从而使悬臂 梁弯曲变形，利用压电薄膜的正压电效应将悬臂储存的机械能转换为电能。 美国w i s e o m i n 大学研究的p - n 结型微电池 9 1 ，以硅作为衬底，以放射性活度为 2 3 6 8 1 0 6 b q 的液态放射性同位素6 3 n i ( 半衰期1 0 0 年) 为辐射源。据报到，0 0 5 v 电压时 的电流为1 3 n a ，输出功率0 0 7 n w 。 1 2 4 收集环境能微电池 c a l i f o r n i a 大学的s h a d r a c hj o s e p hr o u n d y 等人对环境中可收集的能源和常规能源进 行了调查，如表1 1 所示【4 】。表的上半部分为潜在的可收集的环境能源，其功率密度不 收集振动能的压电微电池设计和制作工艺研究 随时间发生变化。表的下半部分为常规能源，它们的能量是有限的，所以可获得的节点 功率随着时间的增加逐渐减少。对类似于无线传感器网络这样，存在大量节点且需要长 寿命电源的m e m s 装置而言，用常规的能源显然是不能满足要求的，因此很有必要对 环境中的能源进行收集利用。在可收集的环境能中，噪声能只有在一些特殊的场合才能 产生高的功率密度，在通常情况下噪声的功率密度一般是很小的。当脚后跟用力或者弯 曲的时候，利用压电鞋能够产生很大的能量，但是如何将行走时产生的能量传输到人体 的其他部位还是个难题。目前人们研究较多的收集环境能的微电池主要包括微太阳电 池、微温差电池、收集振动能微电池等等。 表1 1 可收集的环境能源和常规能源的比较 t a b 1 1c o m p a r i s i o no f p o w e rs c a v e n g i n ga n de l l c r g y ；$ o u r c e 一3 ( 1 ) 微型太阳电池 微型太阳电池结构简单，性能稳定，而且所需的光很容易获得。其能量转化部分为 光敏的半导体材料，它利用半导体材料的微加工技术，将光敏物质做得很薄，电池可以 做得很小，能够满足m e m s 的需要，并能够比较方便地用m e m s 技术制造1 1 2 1 。 图1 5 为伯克利大学和路易斯安那大学研制的用于静电m e m s 器件的太阳电池【l 】，电 压可达1 8 2 3 v 。在1 c m 2 面积上制造了1 0 0 个电池串联而成的微阵列，该阵列的开路电 一6 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 压在光强为1 5 流明时为1 5 0 v ，短路电流为2 8 m a ，可以通过改变入射光强来调节微阵列 的开路电压。 图1 5 太阳电池微阵列照片 f i g 1 5p h o t o g r a p ho f as e r i e si n t e r c o n n e c t e ds o l a rc e l lm i c r oa r r a y 在有阳光直射的地方，太阳能是非常有吸引力的能源，但是在室内或多云的天气， 太阳能的功率密度就会大大降低，这使得太阳能电池的使用范围受到了限制。 ( 2 ) 微型温差电池。 微型温差电池利用热电转换材料直接将热能转化为电能，是一种全固态能量转换方 式，无需化学反应或流体介质，因而在发电过程中具有无噪音、无磨损、无介质泄露、 体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等优点。但是目前开发的温差发电机由于效率 普遍较低( 6 l l ) ，使其应用范围受到限制，而且要在小的尺寸上得到大的温差十分 困难【1 3 1 。 图1 6 为天津大学和中国电子科技集团公司共同研制的微温差电池【h 】。该电池面积 为4 c m 2 ，厚度约1 0 0 肛m ，室温温差t 为5 0 c 时可以产生几伏的输出电压。 图1 6 微温差电池整体结构立体示意图 f i g 1 63 ds t r u c t u r a ls c h e m a t i cv i e wo f t h em i c r o - t h c r m c e l e c t r i cp o w e rg e n e r , o o r ( 3 ) 收集振动能微电池 收集振动能的压电微电池设计和制作工艺研究 机械振动具有相对高的能量密度、普遍存在，尤其是在汽车或机器设备环境中。如 果能对这些振动能进行收集并加以利用，将是很好的发电装置。目前国外很多大学和科 研机构都在开展利用压电薄膜进行振动能到电能转换方面的研究工作。 c a l i f o r n i a 大学已经制造出一种用压电陶瓷p z t 制作的中间有金属垫片的压电双晶 片，带有质量块和夹具的悬臂梁如图1 7 所示【l ”。该压电双晶片和质量块的总尺寸大约 1 c m 3 ，工作在振动频率为1 0 0 h z 、加速度为2 2 5 m s 2 的环境下，能够产生几伏的电压输 出，该振动源可以由小的微波炉提供。 图1 7 带有质量块和夹具的悬臂梁 f i g 1 7c a n t i l e v e rb e a mw i mm a s sa n df i x t u r e 中国香港大学提出了一种如图1 8 所示的微加速度计结构模型【1 6 】。当悬臂梁的尺寸 为1 0 0 x 2 0 0 肛m 、共振频率为l k h z 时，可获得2 p w m m 2 g 的能量密度。图1 9 为他们制 作的悬臂梁释放之前的显微照片，但是对于其特性方面的报道目前还没有。 图1 8 使用压电效应d 柏模式的微加速度计示意图 f i g , 1 8s c h e m a t i ci m a g eo f t h em i c r o a c c e l e d 咖d 【e ru t i l i z i n g3 3m o d eo f p i e z o e l e c t r i ce f f e c t 8 大连理工大学硕士研究生学位论文 图1 9 悬臂粱释放之前的显微照片 f i g 1 9m i c r o s c o p i cp i c t u r eo f am i c r o c a n t i l e v e rb e a mb e f o r er e l e a s e 图1 1 0 为韩国科学技术学院和麻省理工大学共同制作的压电微能源悬臂梁【m 。该 压电悬臂梁的尺寸为1 7 0 x 2 6 0 9 m ，当外界的激励频率为1 3 9 k h z ，负载为1 0 1 m q 时， 能够得到3 v 的直流电压。 图1 1 0 压电微能源发生器的s e m 图 f i g 1 1 0g e mi m a g eo f t h ep 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 图1 11 是欧盟2 0 0 5 年提出的收集环境中振动能的独立传感器节点1 8 1 ，他们将控制 电路、无线通讯网络、能源收集装置、微电池或超级电容以及传感器等集成于一体。图 1 1 2 是其收集振动能的微悬臂梁原型，进行能量转化的压电材料可以选择a 1 n 和p z t ， 在加速度为0 5 9 ，频率为2 0 4 i - i z 的情况下，能够产生3 8 n w 的功率。 收集振动能的压电微电池设计和制作工艺研究 图1 1 1 自供能的传感器节点示意图 f i g 1 1ls c h e m a t i ci m a g eo f a na u t o n o m o u ss e n s o rn o d e 图1 1 2 微悬臂粱的原型 f i g 1 1 2p r o t o t y p eo f m i c r oc a n t i l e v e rb e a m 最近，我国国家纳米科学中心海外实验室提出了用氧化锌纳米线进行发电的纳米线 发电机i 嘲。专家预测，纳米发电机在生物医学、军事、无线通信和无线传感等领域将有 广泛的应用前景。这项发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统；可以收集 机械能( 比如人体运动、肌肉收缩、血液流动等所产生的能量) 、振动能( 比如声波和超 声波产生的能量) 、流体能量( 比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量) ，并将 这些能量转化为电能提供给纳米器件；纳米发电机产生的电能足够让纳米器件或纳米机 器人实现能量自我供应。 振动能具有相对高的能量密度且普遍存在，而且在一些场合可能只有振动能存在， 因此对环境中的振动能进行收集很有研究的必要，但这并不是对其它微能源的否认。通 过查阅相关文献发现，国外已开展了振动能收集系统的研究，而且取得了一定的成果， 但距实用化还有很多工作要做，如结构优化、微悬臂梁制作工艺、能量管理等，国内对 这方面的研究还很少。收集环境中的振动能来给低功耗的m e m s 器件供电，前景非常 乐观，因此很值得去探索和研究。 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 3 本课题研究内容 本课题来源于国家自然科学基金基于放射性同位素的m e m s 微能源关键技术研 究( 5 0 4 7 5 1 5 3 ) 和教育部新世纪优秀人才支持计划基于放射性同位素的m e m s 微能 源和光m e m s 器件的设计制造技术研究( n c e t - 0 4 0 2 6 6 ) 。意在探索一种收集环境中 振动能的压电微电池，为低功耗的m e m s 器件提供长寿命的微能源。 本文设计了一种如图1 1 3 所示的硅微压电悬臂梁，该压电悬臂梁主要由四层组成， 分别是硅弹性体部分、下电极、铁电薄膜p z t 、上电极，在梁的自由端引入质量块起到 降低系统频率和增加变形量的作用。当该系统处于振动环境中时，悬臂梁弯曲变形并储 存机械能，利用压电薄膜的正压电效应产生电荷，通过对输出电荷进行收集和处理，从 而为低功耗的m e m s 器件供能。 图1 1 3 收集振动能的微悬臂梁示意图 f 培1 1 3s c h e m a t i ci m a g eo f m i c r o c a n t i l e v e rb e a mh a r v e s t i n gv i b r a t i o ne n e r g y 论文首先对振动能收集系统进行结构设计与仿真。根据质量一弹簧阻尼系统 的振动原理得出要制作的微悬臂梁结构，根据材料力学和压电理论对该振动能收集系统 进行简单的理论推导，并用有限元分析软件a n s y s 8 1 对其进行仿真，通过模态分析和 谐响应分析，得出不同几何参数对系统一阶固有频率和输出电压的影响情况，为后续工 作中制作微悬臂梁所需的掩模版的设计提供了参考。 压电薄膜是机械能向电能转换的关键，本文比较了各种压电薄膜的制备方法并结合 实验室条件，选用溶胶一凝胶法来制备所需的压电薄膜p z t 。通过调整溶胶浓度、原料 配比、水浴温度等参数，得到了透明澄清、性能稳定的前躯体溶胶。通过改变甩胶的速 度、时间，热处理温度等参数，制得了表面平整、无裂纹的p z t 压电薄膜。对p z t 薄 膜的) 口陵d 图和电滞回线进行测试，得到了沿( 1 1 1 ) 方向择优生长，并具有一定压电性的 薄膜，可以用于微悬臂梁结构中进行机械能向电能的转换。 收集振动能的压电微电池设计和制作工艺研究 根据论文第二章仿真的结果，对制作悬臂梁所需的掩模版进行设计，利用光刻、氧 化、溅射、湿法腐蚀、i c p 刻蚀等m e m s 工艺，制备出集成了压电薄膜p z t 的微悬臂 梁结构，共用到5 块掩模版、6 次光刻、1 6 步加工工艺，得到了一套可行的工艺方案。 最后制备的悬臂梁电极有三明治结构和梳齿结构两种。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 振动能收集系统结构设计与仿真 要收集环境中的振动能，就要对振动源的形式进行了解，设计出高效合理的能量转 换结构，并确定出结构的各个几何参数对输出的影响，从而为后续结构的制作提供参考。 本章针对这些问题进行了研究。 2 1 系统结构模型 2 ，1 1 振动源形式 振动在现实生活中普遍存在，比如正在读盘的笔记本电脑、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 j r 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 列举出了几种常见振动源 4 1 。振动源的频率在6 0 h z 到2 0 0 h z 范围内， 加速度在0 1 到1 0 m s 2 范围内。另外现实生活中还存在一些高频的振动源，比如声音的 频率范围在2 0 h z 2 0 k h z 之间。 表2 1 振动源的峰值加速度和峰值频率 t a b 2 1v i b r a t i o ns o u l c e sw i t ha c c e l e r a t i o nm a g n i t u d ea n df r e q u e n c yo f p e a ka c c e l e r a t i o n 2 1 ，2 振动原理模型 收集振动能的微电池能量转换原理来源于质量一弹簧阻尼系统，如图2 1 所 示【4 1 8 2 0 , 2 1 j 。该发生器由质量块m 、弹簧k 、阻尼b 。和b n l 组成，当发生器振动时，质量 收集振动能的压电微电池设计和制作工艺研究 块和发生器机体间的距离发生变化，产生相对运动，这个相对位移在幅值上是一个正弦， 驱动合适的转换器，能够将外界的机械能转化成电能。 如果发生器的振动位移为y ( t ) ，质量块的相对位移为z ( t ) ，w i l l i a m s 和y a t e s 给出 了描述该质量块和发生器机体间动态作用的微分方程： 砭( f ) + ( 玩+ b m ) 三( f ) + k z ( t ) = - m y ( t ) 其中：m 为质量块质量，b 。为电阻尼系数，b l l i 为机械阻尼系数，k 为系统刚度的弹 性系数。 图2 1 一般振动能转化系统原理图 f i g ，2 1p r i n c i p l ei m a g eo f g e n e r i cv i b r a t i o nc o n v e r t e r 机械能到电能的转换方式主要有三种，分别是电磁转换、静电转换和压电转换。电 磁转换是当线圈和磁场间产生相对运动时，会在线圈内部有电流产生，它不需要额外的 电压源，输出电压o 1 o 2 v 。静电转换由中间填充了电介质的两个导体组成( 类似于电 容结构) ，一个导体相对于另一个导体运动，当导体运动时，存储在电容里的能量改变， 从而将机械能转换为电能。静电转换比较容易集成到微系统中，但是需要独立的电压源， 实际应用比较困难。压电转换是通过给压电材料施加力，利用压电材料的正压电效应产 生电荷，不需要额外的电压源，但是不太容易集成到微系统中。 本文主要探索了机械能到电能的压电转换方式。应用压电薄膜发电的结构主要有三 种：受压模式，剪切模式和弯曲模式( 悬臂梁模式) ，如图2 2 所示。 mf 钐刃 s u b