MEMS技术作业 模板二

1、 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement基于基于MEMSMEMS的微型振动式发电机系的微型振动式发电机系统的研究统的研究 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第一阶段第一阶段 知识的积累知识的积累 North University of China Key Laboratory of Instrume

2、ntation Science & Dynamic Measurement一、微能源概述一、微能源概述 微能源是MEMS技术发展最重要的方向之一，具有十分重要的理论意义和迫切的需求背景。 微能源大体上可分为微型电池和微型发电机两大类。微型电池的种类很多，包括微型燃料电池、微型化学电池、微型锂电池、微型热电池、微型太阳能电池、微型核电池。微型发电机系统主要有微型内燃发动机系统、微型旋转式发电机和微型振动式发电机系统。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Meas

3、urement1、微型内燃机系统、微型内燃机系统微型涡轮叶片微型内燃发动机 虽然微型内燃机有很高的能量密度,但是现有的制造工艺还不能制造高效稳定的微型内燃机，因此微型内燃机系统要达到实用化还有诸多问题亟待解决。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement2、微型旋转式发电机、微型旋转式发电机 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic

4、 Measurement3、微型振动式发电机、微型振动式发电机 微型振动式发电机是利用电磁、静电、压电等效应，通过拾振装置将外部的机械振动转换成电能，可以应用于各种存在微振动的环境中。 微型振动式发电机以其体积小、能量密度大、寿命长以及具经济、安全与环保性的特点，成为了近年来各国研究的热点。根据其工作原理，微型振动式发电机主要分为电磁式、压电式和静电式等。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement电磁式微型振动发电机：电磁式微型发电机的基本原理图 N

5、orth University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement静电式微型振动发电机：工作原理：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。静电式发电机的示意图 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement压电式微型振动发电机： 如图所示的

6、压电式微型振动发电机模型，从尖端加载的悬臂梁是一对由PZT 薄膜条做成的双压电晶片元件，当它在共振频率振动时，能产生约100W功率。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement各种微电源能量密度的比较 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement收集环境能的微电源类型比较 North University of

7、China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第二阶段第二阶段 结构设计与分析结构设计与分析 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement一、系统振动模型一、系统振动模型 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement

8、悬臂粱截面图： 压电悬臂梁振子是由PZT压电材料、金属电极、弹性材料三种材料粘贴在一起形成的复合体。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement硅基压电悬臂粱示意图： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement二、材料与尺寸分析二、材料与尺寸分析压电材料性能分析： North University of Chi

9、na Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement所用材料的力学特性： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement三、悬臂梁应力分析三、悬臂梁应力分析以硅作弹性层的压电悬臂粱部分

10、共有四部分组成，分别是硅弹性层、自由端集中质量块、压电薄膜PZT和上下电极层。硅基压电悬臂粱结构中梁的厚度只有8159m，压电薄膜层厚度约1m，收集电荷的金属薄膜电极层厚度约为200nm50nm。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement应力分布情况电压分布情况 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement臂槊

11、长度与同有频率关系臂粱童度与固有频率关系 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement悬臂粱厚度与固有频率关系自由端质量与固有频率关系 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science

12、 & Dynamic Measurement第三阶段第三阶段 工艺设计工艺设计 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement硅基微型压电悬臂粱结构设计: North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement晶圆上悬臂粱结构及总体布局: North University of China Key Laboratory

13、 of Instrumentation Science & Dynamic Measurement压电薄膜的几种制作方法比较: North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement微加工工艺制作悬臂梁: North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementPtTi下电极的湿法腐蚀: North University of

14、China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement下电极图形：下电极图形： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementPtTi上电极剥离过程： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement上电极的图形： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measureme