基于四螺旋梁-质量块的MEMS压电能量采集器北大核心

设计了一种四螺旋悬臂梁-质量块结构的压电能量采集器,将环境振动能转换为电能。采用有限元分析软件（COMSOL Multiphysics）建立结构模型,仿真结构固有频率,计算不同振动频率下器件的位移、应力、应变和电势以及不同加速度下的电压输出,仿真得到结构的一阶谐振频率为102 Hz,为后期测试提供指导。利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅（PZT）压电薄膜的制备,通过微电子机械系统（MEMS）工艺和引线键合工艺完成器件结构制造,将四个螺旋梁上的压电单元串联以实现输出最大化。性能测试结果表明：器件固有频率为110 Hz,输出电压随加速度的增大而线性增大,3g加速度下输出电压峰峰值为140 m V。     

微型压电能量采集器的仿真、制造与测试

理论分析得到微悬臂梁式压电能量采集器的设计准则.采用一种新颖的制造工艺,将高性能压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)块材与硅片在540 ℃高温下键合1 h后,减薄并切割成形成压电悬臂梁.使用ANSYS软件进行仿真,得到了器件的固有频率、尖端位移和电压输出的频率响应.设计一套振动能量采集器测试装置,并对器件进行测试.测试结果表明,所制得的器件固有频率为2 580 Hz,在10 m/s2的正弦加速度激励下,其输出峰-峰值电压达1.58 V,测试结果与仿真分析基本吻合.     

一种基于MEMS的新型镂空压电悬臂梁能量采集器

在经典的矩形悬臂梁结构基础上进行改进,设计了一种新型的基板与压电膜镂空的微悬臂梁能量采集器。在悬臂梁基板与压电膜上添加镂空,分析其结构尺寸(即镂空的长度、宽度、厚度以及数量)与压电振子固有频率和开路输出电压之间的关系,并通过调节其结构尺寸,使压电能量采集器具有更低的振动频率与更高的开路输出电压。实验结果表明,在镂空长度为200 μm,宽度为165 μm,数量为12时,该结构振子的固有频率可达到399.7 Hz,开路输出电压可达0.271 V。     

振动能量拾取MEMS压电式微能源研究

设计并制作了一种"四悬臂梁-中心质量块"结构的振动能量拾取微机电系统(MEMS)压电式微能源,实现了环境振动能量向电能的转换。首先利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3,PZT)压电薄膜的异质集成制备;然后通过MEMS工艺和引线键合技术进行器件基础结构的集成制造;最后借助振动测试系统对该器件的各项输出性能进行测试。测试结果表明,8Hz谐振频率工作状态下,该压电式微能源器件的输出电压峰-峰值随着加速度激励的增加呈线性增大,当加速度激励为10 m/s2时,该能量采集器件的输出电压峰-峰值为82.4mV。在器件两端加载2.0 MΩ的负载时,器件输出功率密度达最大值(为2.074 3μW/cm3)。     

基于压电效应的MEMS振动式微能源器件

设计了一种硅基压电功能材料的四悬臂梁-中心质量块结构MEMS振动式微能源器件,可将环境振动能量有效转化为电能。采用溶胶-凝胶法制备硅基锆钛酸铅(PbZr0.53Ti0.47O3,PZT)压电功能薄膜,经干/湿法刻蚀和溅射沉积等MEMS工艺实现器件功能结构的制备。研制的器件整体结构尺寸为7 000μm×7 000μm×300μm,单个PZT压电单元面积为0.149 6 mm2。将悬臂梁上4个压电单元串联以实现输出最大化,测试结果表明,器件的谐振频率为300 Hz,适于低频振动环境;输出电压在一定范围内随加速度增加而增大;在加速度为10 g时压电单元单位面积输出电压达1.19 mV/mm2。     

多质量块宽频压电能量收集器

为了提高压电能量收集器的工作频带宽度、降低其固有频率并提高收集效率,设计了一种多质量块宽频压电能量收集器。建立多质量块压电悬臂梁的理论模型,分析质量块位置对输出功率的影响;有限元分析质量块数量对输出电压和固有频率的影响;搭建试验台,对多质量块宽频压电能量收集器进行测试。实验测得：随着悬臂梁自由端质量块数量的增加其一阶固有频率由62 Hz降至28 Hz,工作频带宽度增加39.3%,输出功率由17 mW增加至31 mW,且整流后得到的功率是桥式整流电路的1.31倍。实验结果表明,随着质量块数量的增加,压电悬臂梁的一阶固有频率降低,频宽增大,输出功率增加,且新的能量收集电路的转换效率比桥式整流电路高。     

多质量块宽频压电能量收集器

为了提高压电能量收集器的工作频带宽度、降低其固有频率并提高收集效率,设计了一种多质量块宽频压电能量收集器。建立多质量块压电悬臂梁的理论模型,分析质量块位置对输出功率的影响;有限元分析质量块数量对输出电压和固有频率的影响;搭建试验台,对多质量块宽频压电能量收集器进行测试。实验测得:随着悬臂梁自由端质量块数量的增加其一阶固有频率由62 Hz降至28 Hz,工作频带宽度增加39.3%,输出功率由17mW增加至31mW,且整流后得到的功率是桥式整流电路的1.31倍。实验结果表明,随着质量块数量的增加,压电悬臂梁的一阶固有频率降低,频宽增大,输出功率增加,且新的能量收集电路的转换效率比桥式整流电路高。     

用于能量收集器的不锈钢基PZT厚膜制备研究

采用了溶胶 凝胶技术在不锈钢基体上制备了厚为10 μm、结构致密的锆钛酸铅(PZT)厚膜。研究了不同退火条件对厚膜结晶状况的影响,X射线衍射分析表明,采用700 ℃退火处理20 min后得到了PZT厚膜的纯钙钛矿相结构。厚膜的电学性能测试结果显示,厚膜的剩余极化强度（Pr）为7.5 μC/cm2, 矫顽场强（Ec）为7.2 V/μm,压电常数（d33）为73 pC/N。设计制作了长20 mm、宽4 mm的压电悬臂梁结构振动能量收集器。输出性能测试结果显示,振动频率为95 Hz,采集器输出电压最高,输出电压值为862 mV。     

MEMS压电-磁电复合式振动能量采集器

具有高能量输出密度的自我供电振动能量采集技术有着迫切的应用需求,是智能化MEMS器件系统发展的重要方向。研究了一种可将外界环境振动能转化为电能的MEMS压电-磁电复合振动能量采集器,其综合了压电发电和磁电发电的优势,为新型MEMS供电研究提供了新思路。利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅(PZT)压电功能薄膜的制备,采用MEMS加工技术完成器件四悬臂梁-中心质量块基础结构的设计和制作,结合集成封装技术实现微结构与永磁铁的微组装。测试结果表明:在一阶谐振频率247 Hz,10 g加速度激励的振动状态下,器件压电部分压电敏感单元与磁电部分电感线圈的单位体积最大有效输出电压分别为2.066×107和5.002×106 mV/cm3。     

变截面悬臂梁压电俘能器动力学特性分析

提出一种变截面悬臂梁压电俘能器结构,通过有限元仿真分析其振动特性和输出电压,有利于提高发电性能。该俘能器结构固定端为等截面梁,自由端为变截面梁,压电层粘贴在悬臂梁根部等截面梁表面,改变悬臂梁自由端与固定端的宽度比,得到多种不同形式的变截面悬臂梁。对比分析了三角形梁、矩形梁和具有不同宽度比梯形梁的固有频率、应力和应变分布及简谐激励输出电压响应。结果表明,三角形梁固有频率较大,输出电压最大,同时分析了不同变截面段长度对输出电压的影响。该文还分析了具有相同一阶频率、不同宽度比俘能器的输出电压,表明三角形结构单位体积压电层输出电压最大。对比分析了基体层上根部粘贴压电片和全部粘贴压电片的输出电压特性。结果表明,前者输出电压较大,发电性能更好。     

双端磁耦合式压电振动俘能器结构设计

现有的非线性压电俘能器的输出功率提升主要通过改变俘能器的结构或引入非线性元素,但这些方法在提高俘能结构的输出功率,拓宽俘能器的俘能频带方面能力受限。该文设计了一种双端磁耦合式悬臂梁结构压电俘能结构,在利用永磁体引入非线性元素的基础上优化俘能结构,进一步提高系统的输出电压,拓宽俘能频带。通过将悬臂梁俘能结构等效为复杂边界条件的悬臂梁,推导磁耦合式悬臂梁结构的工作状态方程,并得到磁耦合式悬臂梁俘能结构的输出电压与永磁铁间距的关系,并通过实验测试进行验证。结果表明,在永磁体间距为5mm时,压电俘能结构获得最大的输出功率,在最佳的永磁铁间距和负载电阻下,双端压电磁耦合式悬臂梁的输出功率可达传统悬臂梁式压电俘能结构的1.5倍,谐振频率下降约7Hz。     

三层多晶硅结构的挠曲式静电驱动MEMS微反射镜

将悬臂梁结构与平行平板型结构相结合,研发了一种挠曲式静电驱动微电子机械系统(MEMS)微反射镜。为了实现大扭转角度、小驱动电压的设计目标,通过仿真实验进行对比分析,确定了微反射镜的相关尺寸。采用低压化学气相沉积、光刻、反应离子刻蚀和溅射等工艺,成功制备出了一种具有三层多晶硅结构的微反射镜。在制备过程中得出氢氟酸去除牺牲层(磷硅玻璃)释放出微反射镜结构的最佳刻蚀时间为45 s。制作了开关频率为200 kHz的MOSFET高速驱动电路,电路中的栅极驱动电阻(R_G)是影响输出的关键因素。实验结果表明,当R_G额定功率为300 W、电阻为47Ω时,微反射镜能够达到足够启动速度,实现高速开关的设计目标。最后,设计并搭建了微反射镜的测试系统,施加60 V的驱动电压进行测试,通过显微镜观察到微反射镜的明显动作变化以及屏幕上光斑的位移变化,表明制备的微反射镜可正常驱动。     

一种直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器

提出了一种2π弧度的直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器。该设计一方面可以降低谐振频率,另一方面可以提高单位体积的能量收集效率。悬臂梁整体结构厚度为2 mm,宽度为6 mm,整体尺寸大小为22 mm×26 mm。当施加的激励为0.1g加速度时,仿真输出电压为1.95 V,测量输出电压为1.8 V,相对电压误差为7.7%;仿真谐振频率为269 Hz,测量谐振频率为265 Hz,相对频率误差为1.5%;理论输出功率为7.04μW,测试输出功率最大为5.79μW,相对功率误差为17.8%。该压电能量收集器适用于便携式微电子系统。     

等强度压电复合悬臂梁的理论建模与数值仿真

通过理论分析和数值模拟验证了三角形压电复合悬臂梁的等强度假设,并推导了三角形压电复合悬臂梁准静态电压输出理论表达式。采用ANSYS 11.0对三角形压电复合悬臂梁的模态特性进行了分析,确定了层合厚度比对其固有频率的影响规律,对比了采用不同基底材料的压电梁电压输出理论值和模拟值。理论和模拟结果表明三角型压电复合悬臂梁在最优层合厚度比下的最大电压输出约为5V,其谐振频率约为62Hz。     

MEMS微拾振器制备工艺研究

采用微机电系统(MEMS)技术制作了悬臂梁式压电微拾振器,该技术主要包括:sol-gel法制备PZT压电膜、干法刻蚀、湿法化学刻蚀、UV-LIGA等工艺。研制的拾振器悬臂梁结构尺寸为:长2000μm,宽600μm,硅膜厚度12μm,PZT压电膜厚1.5μm,Ni质量块长600μm、高500μm。测试表明其固有频率为610Hz,适合低频振动源环境的应用。在1gn加速度谐振激励下,电压输出达562mV。     

微拾振器压电悬臂梁结构的设计与测试

提出了一种压电悬臂梁结构的微拾振器,利用有限元法计算了结构的固有频率和电压输出,以设计适合具体应用环境的器件结构。采用MEMS技术制备了器件原型并进行了试验测试。研究表明,所制备的器件在加速度为9.8 m/s2的低频谐振激励下电压输出达200 mV以上。考虑到压电薄膜的制备和湿法刻蚀硅造成的不均匀性,可以认为,测试结果和模拟结果基本相符,为设计、制备高性能的器件打下了良好的基础。     

基于1×2阵列压电悬臂梁的AFM并行扫描

分析了阵列悬臂探针并行扫描的工作方式,以非接触磁力模拟样品与悬臂梁间的范德华力,研究了1×2阵列压电悬臂梁的并行扫描和驱动控制方法。每一压电梁均集成了微位移致动器和力传感器,在320Hz一阶共振频率下振动。实验表明:在0.2～1.0mm力作用区内,压电梁自由端每接近模拟样品0.1mm,表征悬臂梁振幅的锁相放大器输出电压减小1.7mV,但微力传感在扫描的升回程存在迟滞;致动器的控制电压每增加10V使锁相放大器输出减小约3mV,表明集成的致动器可调节压电梁与样品间的间距。两压电梁的电荷-位移响应曲线、间距调节灵敏度均不完全一致,讨论了阵列悬臂梁一致性问题和阵列规模大小问题。     

基于悬臂梁结构的惯性冲击直线压电马达

针对大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）观测光纤扫描定位的需求,设计了一种基于悬臂梁结构的惯性冲击直线压电马达,分析了该压电马达的驱动机理。为避免共振,采用有限元仿真法获得了振动座的一阶共振频率。设计加工了马达样机,搭建了实验平台,并进行了马达性能测试与分析。结果表明,在预紧力为0.2 N,驱动信号为锯齿波偏置一半,当电压峰 峰值为60 V（600 Hz）时,马达无负载速度为1.83 mm/s,当电压峰 峰值是15 V时,马达的位移分辨率为0.8 μm;当预紧力为0.4 N,驱动信号峰 峰值为60 V（600 Hz）时,马达最大负载为0.18 N,行程为40.5 mm。马达的性能参数符合光纤定位器扫描需求。     

BaTiO_3压电薄膜的制备及其性能研究

利用旋涂技术,在聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合液中掺入不同质量分数(30%,50%,70%)的钛酸钡(BaTiO_3)纳米颗粒,并将混合物均匀涂在洁净的硅片表面进行旋涂处理;加热固化制得压电薄膜,并对压电薄膜进行极化处理,分别运用扫描电子显微镜(SEM),X线衍射(XRD)仪分析薄膜表面和BaTiO_3粉末。实验结果表明,薄膜内部BaTiO_3分布相对均匀,且其中BaTiO_3纳米颗粒为四方相。设计振动能量采集测试系统测试分析薄膜的输出开路电压和供电能力,分别用单悬臂梁振动和激振器敲击的形式对压电薄膜的输出特性进行研究。压电薄膜的输出电压峰-峰值与BaTiO_3的质量分数具有高度的一致性,在w(BaTiO_3)=70%时,输出电压最高,对应的峰-峰值为3.50V。     

正弦信号发生器的设计

以单片机和FPGA为控制和处理核心,基于直接数字频率合成原理,利用DDS集成器件AD9851实现100 Hz～19 MHz输出的正弦信号发生器.通过自动增益控制(AGC)和功率放大,在50Ω负载情况下.100 Hz～19 MHz范围内,系统输出正弦波电压峰-峰值(6+1)V.系统硬件设计采用EDA工具,软件采用模块化的编程思想.