开题报告毕业设计.

1、景德镇陶瓷学院毕业设计（论文）开题报告中文题目：悬臂梁压电振子发电的研究英文题目：Study on Cantilever PiezoelectricVibrator Generating Electricity院 系：机械电子工程学院专 业：电子科学与技术姓 名：丁斌学 号： 200910330216指导教师：范跃农开题时间： 2013-04-17一、课题背景及意义（包括课题现状、发展趋势以及研究的意义等）一、压电发电技术的国内外研究现状及发展趋势在1880年，法国科学家居里兄弟在对晶体是否有对称性和热压电效应方面进行 研究的同时得出了压电效应的存在，但是并没有受到科学家的高度重视，是因为它的

2、 发电能力很弱。压电发电技术联系到材料、机械、电子等各种不同的学科，它属于一 个新兴的科研探索领域，因而，有必要解决很多学科相互交叉的新问题，要将理论和 试验结合起来综合研究分析。即使压电陶瓷受到外力作用下可以有电荷产生， 但是因 为通常压电材料有很低的机电转换效率， 压电陶瓷能够发出的电量比较弱，所以它属 于一种微小功率的交流电；但电子元器件的功率消耗相比较大，因而，压电发电装置 并不能成为传统电池的完全替代品，作为电子器件的能量源而提供电能。近几年来，制造业与材料科学技术的快速发展，使得一直涌现出性能和机电转换 效率都很高的压电材料；单个压电薄膜能缩小到 0.02mm的厚度，如果将几个压电

3、薄 膜串并联起来就能够得到要求的电流与电压， 在技术上保证了压电发电技术的实际应 用研究，同时很多种微小型且便携式电子产品的不断发展，由于电子产品在集成化上 的提高和消耗功耗的减小，以及深入研究了相关的压电材料，曾经传统的电池有很大 的体积、使用寿命上也比较短。这些缺点使它慢慢不能达到现代使用要求； 除此之外, 废旧电池包含有害物质，如果不进行适当的处理会影响环境卫生。所以，关于压电发 电技术和能量转换存储技术的研究逐渐受到人们的广泛关注。随着无线电技术的飞速发展，大量的无线电传感器已经能够适用于各个领域当 中。但在其能量供应领域，依然采取着传统的供能方式，即利用化学能电池作为主要 的能量供应

4、装置。虽然化学能电池以方便的特性被广泛使用，但是其材料浪费、环境 污染、回收困难等问题也日益突出。当今，没有更好的替代产品来代替化学能电池， 因此仍然大量地生产和使用，电池市场上化学能电池占据了几乎所有份额利用压电装 置发电已经成为一个新的研究热点。日本科学家已将其率先应用到车票检票口的装置 中。目前，压电材料能收集环境中的机械能并通过转换装置转换成电能的这一特性逐 渐引起了国内外科学家的重视，尤其是国外的科学家，已经做了大量的实验，对压电 材料的性能及用途有了更深入的研究。 但是和传统的发电方式相比，压电发电技术正 处于开发探索阶段，它涉及机械、材料、电子等诸多科学尚有大量的理论和试验研究

5、待解决。压电发电的基础研究工作主要是从压电陶瓷材料的特性以及影响其发电能力 因素等方面展开的，有关这方面的研究以及试验已经在日本、美国、荷兰等国家取得 了一定的成效，但我国有关压电发电方面的技术仍处于起步阶段。人们在二十世纪末便注意到了化学能电池的缺点，并开始致力于新型环保电池的 研制。至今，人们已经开发出了太阳能电池、燃料电池等新型电池来替代化学能电池。 但这些新型电池在某些方面还远远不及化学能电池，比如说体积、重量、可移动性等。同时，在某些特殊的应用领域中，人们开始寻求电池的另一种替代品-人力发电装置, 其目的是通过收集来自外界的振动能量来替代化学能电池。人力发电主要分为手摇发电、温差发电

6、、摩擦发电、压电发电、静电式发电等方式。当今所涉及到的人力发电 项目一般为手摇式发电。其发电量相当于普通的电池，配以不同储能的机械发条或者可充电电池，就可以替代相应的普通一次性电池。在偏僻地方或野外无源的环境中， 携带手摇式发电装置为收音机、手机以及其它信号发生系统充电便显得很方便， 同时 这也增加了能量供应可选择性和可靠性。其缺点是手摇式发电装置体积大、携带不便、 能量转换效率低等。随着科学技术的发展，各种新的便携式发电装置的研究将成为一 个新的研究热点，其目的是在某些特殊的应用领域替代电池或自动为电池充电。利用每一种发电原理构造的发电装置都有其自身的特点和使用领域，压电发电装置的优点在于结

7、构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的微小化、集成化 等，因此适用范围更广。众所周知，压电材料在外力作用下可以产生电荷（或电压），所产生的电能可以被直接利用制作电子打火机、煤气点火器等，但将这部分电荷收集、 储存起来用作驱动微功率电器的电源的研究近年来刚刚开始。1996年，荷兰的ThadStarner等利用压电陶瓷收集“开、合”笔记本电脑的运动能量，用以驱动笔记本电 脑，自此开创了压电发电与能量存储技术这一研究领域。发电装置可以分为以下两种：一是利用发电机转动，发电装置透过电磁感 应来发电的方式，主要有火力发电、水力发电、风力发电、内燃机发电等；二 是利用化学反应发电的方式，主

8、要有燃料电池发电、太阳能发电、垃圾发电、 细菌发电等。和以往的发电装置相比，压电发电技术是一个新的研究领域。压电陶瓷 在外力的作用下能够产生电荷，当所生成的电荷量较大时，可用来构造压电发电 装置或直接为电子器件提供动力供应。利用人的肢体运动激励压电陶瓷发电这 种方法是可行的，压电鞋的研究结果已经证实了这一点。此外，还可以利用环境中的振动和冲击来激励压电振子进行弯曲振动，完成机械能到电能的转化，初步试验证明了这一点。当利用直径为5毫米的钢球冲击压电振子（尺寸为10X 50x 0.2mm3时, 所产生的电能可同时点亮40只二极管，这说明利用压电振子收集环境中的振动能量 是可行的。当然，在压电振子发

9、电装置的结构设计优化、提高能量转换效率方面可能 有较大的困难，但这种发电方式易于实现体积的微小化和集成化，适用于不同的工作环境，其优点是显而易见的。以压电陶瓷为换能媒介的压电发电研究正处于开发探索 阶段，它涉及机械、材料、电子等诸多学科，尚有大量的理论和试验研究需要解决。 目前，有关利用压电陶瓷发电与相关的能量存储技术的研究在美国、荷兰、西班牙等 许多国家相继开始，但国内尚未发现此方面的研究报道。在压电发电技术这一研 究领域,国外的科学家们尝试了多种压电陶瓷发电方式 ，较成熟的主要有以下几种方 式。1惯性自由振动式发电方式悬臂梁式压电振子的自由端附有集中质量块，构成弹簧质量系统，如图1-1所示

10、。当此振动系统受到外界激励时，压电振子自由端上下自由振动，压电振子 发生弯曲变形产生电量。惯性自由振动方式发电能力较弱，但具有较长的振动持续时 间。惯性自由振动发电方式的电流特性如图1-2所示，主要应用于扬声器等产品中。1压电晶片2 基板3质量块4外界激励图1-1惯性自由振动式发电方式图1-2惯性自由振动发电方式的电流-时间图像2. 冲击自由振动式发电方式如图1-3所示，压电振子以自由方式支撑，金属球撞击压电振子，使之产生弯曲振 动，产生电量。冲击自由振动方式发电时间短，但能产生瞬间大电流，点亮数十个mW 级的发光二极管。冲击自由振动发电方式的电流特性如图1-4所示。冲击自由振动发 电方式主要

11、应用于玩具、公路隧道视线导航标识等产品中。卩必图1-3冲击自由振动式发电方式LG| |Li 1 1r图1-4冲击自由振动发电方式的电流-时间图像O二-.-3. 强制振动式发电方式如图1-5所示，压电振子以悬臂梁方式装卡，自由端施加外力迫使压电振子产 生交替的弯曲变形，机械能转变为电能。强制振动式发电方式的关键因素是外力大小 与作用时间，此方式能保证电荷在一定时间内连续输出，其电流特性如图1-6所示强制振动发电方式主要适用于触发式电子设备供电系统中。1压电晶片2 基板3 外力图1-5强制振动式发电方式图1-6强制振动发电方式的电流-时间图像上述三种压电振子发电方式为压电发电技术的研究提供了一个新

12、思路，克服了目前压电发电鞋使用上的局限性，可通过摇动、行走、乘坐交通工具或置于振动环境等 多种方式获得电能；其次，发电装置结构更为简便，易于实现微型化，可与电子产品 集成一体，使各种便携式电子产品，如 GPS（全球定位系统）、移动电话、掌上电脑 等产品的无源驱动成为可能，也为某些电器的进一步微型化奠定了基础；另一方面， 利用压电振子发电的方法提供能源，还可缓解大量废旧电池所造成的环境污染、为电子工业和新产品的开发应用提供发展空间，使内置式药品输送系统、埋置式传感检测 系统等的实际应用成为可能。二、研究悬臂梁压电振子发电的意义随着无线传感器、无线通信网络、集成电路、MEM番口便携式电子设备的应用

13、日益广泛，以化学电池为其主要供能方式存在诸多弊端，如体积大，质量大，供能寿命 有限，需要定期更换，以及由此所带来的材料浪费和环境污染等问题，不容忽视。尤 其对于目前发展日益迅速的无线网络和嵌入式系统来说，电池供电的这种缺陷更为明显。因此，如何为这些低耗能的电子产品供能，已成为迫切需要解决的问题。根据能 量转换机理的不同，获取电能的有效方法可利用电磁式、静电式和压电式等三类。与 其他的发电原理相比，压电发电具有结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作、 无污染和易于实现机构的微小化、集成化等诸多优点，且能满足此类低耗能产品的供 能需求，而成为目前研究的热点。而悬臂梁压电陶瓷发电技术，能够满足环

14、境自适应 供电的要求，具有长寿命、无污染、免维护等优点有广阔的应用前景。因此研究悬臂 梁压电振子发电能为我国工业现代化发展提供能源保障，其具有深远的研究意义。二、研究内容及目标目前悬臂梁压电振子发电的研究成为人们普遍研究的重点。 为了探究采用悬臂梁 结构压电陶瓷振子进行发电的一般原理和方法， 其在所有制备方案中进行比较找到比 较理想的制备和制作方法。因此我们需要完成以下的任务：1 、详细列出常用压电陶瓷的系列及性能；2 、详细列出和探讨采用压电陶瓷制备悬臂梁结构的工艺和方法；3 、研究采用悬臂梁结构压电陶瓷振子进行发电的原理和方法；4 、比较性能并总结出实验结论并总结。三、初步研究方案1. 根

15、据课题内容，大量搜集、检索相关资料并仔细阅读、学习相关资料2. 选取实验所需要的器材、材料，计算所需材料的量。3. 利用器材制成悬臂梁结构的压电陶瓷振子的结构。4. 比较各种压电振子发电的性能，并得出较理想的制作方法。四、进度安排4 月05日 4月09日4 月10 日 4月18日4 月19 日 5月05日5月06日 5 月21日5 月22日 5月24 日5. 对实验所需测得量进行测量并进将其结果行分析、总结。相关资料的检索与制备；英文文献、综述报告、开题报告的撰写；压电陶瓷及悬臂梁结构压电振子的制备方法的学习与研究；压电振子发电方法的研究与实践；毕业设计论文的写作以及材料的补充；5月25日以后

16、准备答辩五、参考文献1 赵倩云微悬臂梁品质因数Q控制技术的研究D.天津.天津大学，2007.2 唐洁.压电悬臂梁传感技术的研究D.天津.天津大学，2006.3 朱清溢，李志刚，欧毅，黄钦文，陈大鹏.微悬臂梁传感器极其在生化领域的 应用J.电子工业专用设备，2008, 161:11-14.4 曾磊，周嘉，黄维宁，黄宜平，基于微悬臂梁的生化传感器J.传感器技术，2004，23(6):76一 80.5 张春娟.压电微悬臂梁治敏传感器性能研究D.江苏.江苏大学，2010.6 FRITZ J， BALLERMK ， LANGHP， et al. Translating biomolecular reco

17、gnition intonanomechanicsJ. Scienee 2000, 288(5464):316-318.7 GUANGHUA WU， RAMH DATAR， RICHARD J COTE， Bioassay of prostate-specific antigen(PSA) using microcantileverJ. Nature 2001，19:856-860.8 李鹏，李听欣，王跃林.用于化学气体检测的压阻检测式二氧化硅微悬臂梁传 感器J.传感技术学报，2007，20(10):2174-2177.9 滕艳华，薛长国.微悬臂梁传感器在环境检测中的应用J.传感器与微系统，

18、2011，30:5-11.10 TORTONESE M， BARRETT R C， QUATE C F. Atomic Resolution with an Atomic Force Microscope Using Piezoresistive DetectionJ. Applied Physics Letters，1993，62(8):834-836.11 刘梦伟.基于双压电PZT薄膜单元的悬臂梁式微力传感器研究.大连，大连理工大学，2006.12 辛雪花，压电振子发电的基本性能及实验研究.吉林，吉林大学，2006.13 杨笑冬基于ANSYS的悬臂梁模态分析J机电一体化，2008，14(6): 58 65.14 姜德龙、程光明、曾 平、庞建志，悬臂梁双压电晶片振子发电性能研究，吉 林，吉林大学，2011.15 谢涛、袁江波，多悬臂梁压电振子频率分析及发电实验研究，哈尔滨，哈尔滨工业大学，2010.16 娄利飞，杨银堂,樊永祥,等.压电薄膜微传感器振动模态的仿真分析J.振动与冲击,2006, 25(4): 165-168.六、指导老师意见1、对“开题报告”的评语本设计的选题比较迎合当今电子陶瓷领域的最新发展方向，通过设 计过程，可以使学生完成充分了解悬臂梁结构压电陶瓷振子进行发电的 工作原理，熟悉一个电子元件的设计、