压电/磁电复合式MEMS振动驱动微能源的研究

为了满足无线传感网络节点对供电电源的自供电、低功耗、持续稳定供电的要求,研究了一种可以将环境中机械能转化为电能的MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源,结合压电转换与磁电转换把振动能转换为电能。建立数学模型,用有限分析软件Ansys12.0对不同尺寸的四悬臂梁-中心质量块结构进行力学特性分析,并对加工出的器件进行性能测试。测试结果表明,谐振频率为290Hz下,器件输出电压峰峰值随振动加速度的增加呈线性增加,1 m/s2和6 m/s2激励下有效输出电压分别为61mV和324mV,有望为无线网络传感节点提供性能高、寿命长、自供给的供电电源。     

MEMS压电阵列振动能量收集器

近年来,随着微能源的发展,微型压电振动能量收集器得到了广泛关注,但传统d31模式PZT薄膜微型压电振动能量收集器输出电压普遍较低,难以满足应用需求。为提高微型压电振动能量收集器的输出电压,论文提出了共质量块悬臂梁阵列压电振动能量收集器新结构,该结构包含压电悬臂梁单元组成的阵列和一个质量块,悬臂梁阵列共用质量块。采用有限元方法对该结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁单元优化尺寸为3 mm×2.4 mm×0.05 mm,硅质量块优化尺寸为8 mm×12.4mm×0.5 mm。设计了MEMS压电阵列振动能量收集器加工工艺流程,加工出原理样件。在1 gn加速度,239.7 Hz谐振频率激励下,测试得到样件输出开路电压有效值为9.16 V;在最优化负载200 kΩ下,负载输出电压有效值为5.51 V,输出功率为151.8μW。     

基于八悬臂梁-中心质量块结构MEMS压电振动能量采集器

高能量密度输出、低频范围响应、环境适应性强的自供电振动能量采集器已成为微能源技术领域的一个重要发展方向。提出一种d31型工作模式下MEMS压电式振动能量采集器,设计八悬臂梁-中心质量块结构代替传统的单悬臂梁结构,利用溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术在每个悬臂梁上异质集成制备锆钛酸铅（Pb（Zr0.53Ti0.47）O3,PZT）压电功能厚膜层,通过MEMS工艺和引线键合技术完成器件础结构制造。输出性能测试结果表明,器件一阶谐振频率为41 Hz,3 gn加速度激励下输出电压峰峰值为264.00 mV;在器件两端加载3.00 MΩ负载时输出功率最大,为0.72 nW。     

圆片级低真空封装的MEMS压电振动能量收集器结构设计

MEMS低真空封装技术能为MEMS器件的可动部分提供低阻尼环境,降低能量损耗,有效提高器件的能量转换效率,具有重要的研究意义和应用前景,是MEMS技术的研究热点和难点。为了进一步提高MEMS压电振动能量收集器的输出性能,提出了圆片级低真空封装的共质量块MEMS压电悬臂梁阵列振动能量收集器新结构,通过有限元分析方法对器件结构参数进行了优化设计,在优化结构参数下仿真器件输出性能：在610 Hz、2 gn加速度下,器件的输出电压为8.88 V,输出功率为1220μW,能满足实际应用需求;根据器件结构设计了加工工艺流程,对低真空封装结构的实现和封装工艺探索具有重要意义。     

基于MEMS的压电微能量采集器的电路研究与测试

微能量采集技术是利用某种效应把周围环境中的某种形式的能量转换成电能,为嵌入式系统和无线传感网络中的MEMS器件供能。本文探讨了一种基于MEMS技术的压电型微能量采集器。微能量采集器工作于低频环境,当给其振动激励信号时,它能够把机械能转换为电能。但是能量采集器直接输出的是交流电压,一般不能直接为器件供能。所以,利用AC-DC电路把交流转换为直流,实现为MEMS器件供能。文中给出了微能量采集器的测试电路,同时给出了测试结果,论证了在低频环境下这种微能量采集器的可行性。     

一种基于MEMS技术的压电微泵的研究

介绍了一种基于MEMS技术的压电微泵。该微泵利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为泵膜,使用了一个主动阀和一个被动阀,并利用压电双晶片作为驱动部件。压电双晶片和PDMS泵膜的组合可以产生较大的泵腔体积改变和压缩比,显著降低了加工成本,并提高了成品率。对压电微泵的输出流量进行了测试,结果显示:电压、频率以及背压对流量均有显著影响。在100 V,25Hz的方波驱动下,该压电微泵的最大输出流量为458μL/m in,最大输出压力为6 kPa。     

Terfenol-D/PZT和弹性基板阵列换能器的磁电效应研究

利用共振原理,将磁致伸缩材料(Terfenol-D)、压电材料(PZT-8)复合于弹性基板上构造了一种新型的换能器.当激励磁场的频率等于或者接近于弹性基板的固有频率时,Terfenol-D将驱动弹性基板振动并发生共振,粘结于弹性基板上的压电材料的输出电压将达到最大.实验研究表明,在800 Oe偏置磁场和1Oe交变磁场激励下,在谐振点392 kHz处,阵列结构换能器的最大磁电耦合电压系数和最大输出功率分别达到了235.5 mWOe和2.403μW,相比MP层合结构换能器,分别提高了13.77%和33.7%.     

基于高压应力的氮化铝MEMS压电微扬声器北大核心CSCD

基于微电子和微机械加工工艺制备了一类氮化铝AlN(Aluminum Nitride)压电微扬声器。研究了器件薄膜残余应力对器件性能的影响,采用带有高残余压应力的高c-轴取向氮化铝薄膜分别作为器件压电层和支撑层增大微扬声器的输出声压,同时利用工艺手段控制整体薄膜残余应力进一步增大器件输出声压。该微扬声器的悬膜直径仅为1.35 mm,厚度为0.95μm。在开放空间内,采用声压级检测仪对该微扬声器的输出声压级SPL(Sound Pressure Level)进行扫频测试(频率范围:0.5kHz～20 kHz)。测得单个微扬声器在距离为10 mm处,20 Vpp驱动电压下最大输出声压级约为75 dB。测试结果显示该氮化铝压电微扬声器在耳机、智能手机和可穿戴设备等方面都具有潜在的应用前景。     

基于高压应力的氮化铝MEMS压电微扬声器

基于微电子和微机械加工工艺制备了一类氮化铝AlN(Aluminum Nitride)压电微扬声器.研究了器件薄膜残余应力对器件性能的影响,采用带有高残余压应力的高c-轴取向氮化铝薄膜分别作为器件压电层和支撑层增大微扬声器的输出声压,同时利用工艺手段控制整体薄膜残余应力进一步增大器件输出声压.该微扬声器的悬膜直径仅为1.35 mm,厚度为0.95μm.在开放空间内,采用声压级检测仪对该微扬声器的输出声压级SPL(Sound Pressure Level)进行扫频测试(频率范围:0.5 kHz～20 kHz).测得单个微扬声器在距离为10 mm处,20 Vpp驱动电压下最大输出声压级约为75 dB.测试结果显示该氮化铝压电微扬声器在耳机、智能手机和可穿戴设备等方面都具有潜在的应用前景.     

变截面三角形压电振动能量收集器的特性研究

为了降低压电振动能量收集器的固有频率,改善压电振动能量收集器的能量采集性能,实现在低频振动环境中能量采集的需求,提出了一种变截面三角形压电振动能量收集器.对该能量收集器进行有限元分析,并搭建实验平台测试系统,对该能量收集器的输出电压及输出功率进行测试.实验结果表明:当外界激励振动加速度为1.0gn,俘能器末端质量块为0...     

一种宽频的磁式压电振动能量采集器

基于环境能量采集的压电振动能量采集器为无线传感器和微机电系统的长期供能提供了一种有效解决方案.目前研制的压电式振动能量采集器存在工作频率高,且频带窄的问题.给出了一种通过磁力的引入使其在低频下工作的、宽频的压电振动能量采集器,并搭建了测试系统对器件进行分析测试.在压电悬臂梁上放置永磁铁取代传统的质量块,同时在悬臂梁的上...     

供能于无线传感器网络的微型振动发电机结构性能研究

应用微机电加工技术制造的振动发电机可以无限、持续地为无线传感器网络提供能源。为了提高发电能力,通过有限元仿真与实验分析了单压电片型式、双压电片并联型式和双压电片串联型式振动发电机的结构参数对发电能力的影响规律。结果表明,厚度比小的双压电片串联型式发电机输出开路电压较高;存在某一最优负载,在给定的激励频率下,使得输出功率最大;相同材料、结构参数下,双压电片串联和双压电片并联型式发电机的输出功率基本相同且高于单压电片型式发电机。     

A micro electromagnetic low level vibration energy harvester based on MEMS technology

This paper presents a micro electromagnetic energy harvester which can convert low level vibration energy to electrical power. It mainly consists of an electroplated copper planar spring, a permanent magnet and a copper planar coil with high aspect ratio. Mechanical simulation shows that the natural frequency of the magnet-spring system is 94.5 Hz. The resonant vibration amplitude of the magnet is 259.1 μm when the input vibration amplitude is 14 μm and the magnet-spring system is at resonance. Electromagnetic simulation shows that the linewidth and the turns of the coil influence the induced voltage greatly. The optimized electromagnetic vibration energy harvester can generate 0.7 μW of maximal output power with peak–peak voltage of 42.6 mV in an input vibration frequency of 94.5 Hz and input acceleration of 4.94 m/s² (this vibration is a kind of low level ambient vibration). A prototype (not optimized) has been fabricated using MEMS micromachining technology. The testing results show that the prototype can generate induced voltage (peak–peak) of 18 mV and output power of 0.61 μW for 14.9 m/s² external acceleration at its resonant frequency of 55 Hz (this vibration is not in a low ambient vibration level).     

压电式双振子微型发电机功率调节电路设计

为克服压电式单振子微型发电机通过一般整流、滤波和储能控制电路不能连续为瞬时发射功率较大的无线传感器网络发射模块供电的问题,提出了一种双振子振动发电的结构思想,介绍了双振子振动发电原理;提出了一种双振子微型发电机输出功率调节控制电路技术方案,它由主一辅整流电路、主储能器、滤波器、辅助补充能量控制电路、稳压电路、滞回比较器、开关控制电路和电子开关等组成.经实验证明:封装了该功率调节电路的压电式双振子微型发电机平均输出功率为250～950 μw,瞬时输出功率可以达到680 mw,而自身的功耗只有40微瓦以下,能满足连续振动环境中微功耗电子器件、传感器或间歇式较大功耗遥测电路供电的要求.     

Design, simulation and fabrication of piezoelectric micro generators for aero acoustic applications

Energy harvesters based on acoustic vibration sources can generate electrical power through piezoelectric transduction. Significant miniaturization of electro mechanical devices using MEMS fabrication technology has encouraged the creation of portable, miniature energy harvesters. A niche application is aero acoustics, where wasted, high dB and high frequency sound generated by aircrafts are transformed into useful energy. Having self-powered, miniature acoustic sensors allows noise detection monitoring systems to be self-sustaining. This paper illustrates an Aluminium doped Zinc Oxide (AZO) cantilever beam on stainless steel substrate with a top copper electrode. Design and finite element modelling of the design was conducted using Coventorware™. The AZO piezoelectric thin film was RF-sputtered on the stainless steel substrate. Characterizations were performed using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) to evaluate the piezoelectric qualities and surface morphology, respectively. Experimental measurements indicate approximately 345.4 mV AC output voltage (open circuit voltage) is produced at vibration frequencies of 30 kHz. This is in accordance with the Coventorware™ simulation results. This measured power level is sufficient to power a miniature wireless acoustic sensor nodes to monitor noise generated by aircrafts.     

悬臂梁压电式振动发电机材料性能优化研究

具有高能量密度的微型压电振动发电机可以无限、持续地为无线传感器网络提供能量。为了提高有限体积悬臂梁压电式振动发电机的发电能力,通过力学模型及有限元仿真分析了单晶片型式、双晶片并联型式和双晶片串联型式压电振动发电机的材料参数与输出电压及固有频率之间的关系。结果表明,在低频工作环境下,应优先选择PZT-4、PZT-5A、PZT-5H的压电材料和不锈钢、镍合金的基板材料。