低频压电式MEMS振动能量采集器研究

设计了一种低频压电d31模式的"八悬臂梁-中心质量块"结构微机电系统(MEMS)振动能量采集器,实现环境振动能量向电能的转换。首先利用溶胶-凝胶工艺实现PZT压电薄膜的异质集成制造,单个锆钛酸铅(PZT)压电敏感单元的有效尺寸为935μm×160μm×1.5μm;然后通过MEMS加工工艺完成器件微结构的加工制造,器件结构有效体积为9.936×10~(-4)cm~3;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,谐振频率为60Hz、加速度激励为1g(g=9.8m/s~2)时,该能量采集器的输出电压峰-峰值为232mV。在其两端加载3.0 MΩ的负载时最大输出功率为6×10~(-4)μW,输出功率密度为0.604μW/cm~3,PZT压电敏感单元有效面积下的输出功率密度为0.025μW/cm~2。     

微压电式振动能量采集器的研究进展

给出了微压电式振动能量采集器的基本工作原理和物理模型。按照压电单元结构类型的不同,将其分为单一的直线型悬臂梁、直线型悬臂梁阵列、L型悬臂梁和圆形压电膜,分别讨论了各种类型的微压电振动能量采集器的优缺点。详细介绍了国内外各研究小组研制的微压电式振动能量采集器的结构参数、性能及其应用现状,分析针对目前研究中存在的问题,指出如果能在分析建模、压电结构及压电材料优化方面取得实质性进展,微压电振动能量采集器作为新型供能设备在MEMS系统和低功耗无线传感网络中的应用将会具有更加诱人的前景。     

MEMS压电能量采集器的研究进展

压电材料可以将机械能转化为电能的特殊性质引起了基于压电材料的能量采集器的研究.概述了压电能量采集器收集能量的原理,分别介绍了压电能量采集器的悬臂梁型、隔膜型和桥型这三种常用结构以及其他结构,介绍了一种利用块状压电陶瓷制作压电悬臂梁的新型工艺.简述了线性拓频和非线性振动拓频两种悬臂梁型能量采集器的带宽优化方法.举例说明了...     

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。     

基于压电材料的振动能量回收技术现状综述

随着微机电系统(MEMS)技术的迅猛发展,基于压电振动的能量回收技术可以为MEMS提供电能,受到国内外众多学者的关注。该文介绍了压电式振动能量回收装置的工作机理;分别从能量回收装置的结构和材料、能量转化的接口电路、能量的存储技术、能量回收的应用实例等方面系统的介绍国内外的主要研究成果和研究进展;并对压电振动能量回收技术的发展方向进行了预测。     

分段悬臂梁压电振动能量采集器及其理论建模研究进展

压电振动能量采集器在无线传感器、嵌入式医疗设备、微电子机械系统(MEMS)、物联网(IoT)器件等低功率设备的供电中有广泛的应用前景,其中分段悬臂梁采集器因具有低频宽带、微尺寸和多方向采集等潜在优点而成为研究热点。评述了分段悬臂梁压电能量采集器及其理论建模的最新研究进展,介绍了压电能量采集原理及典型结构,梳理了各种分段悬臂直梁和角梁采集器的类型和结构特点,比较分析了其输出电压、输出功率和工作频率等性能,讨论了采集器的现有建模和求解方法的优缺点和难点,指出了应用面临的供应挑战。最后,总结了该能量采集技术目前存在的问题,并展望了其未来发展方向。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

微型压电电磁振动能采集器设计制作工艺研究

为收集环境中普遍存在的振动能,设计了一种微型压电电磁式振动能量采集器,研究系统设计参数对输出功率的影响因素。依据压电电磁集成发电工作原理设计了复合采集器,建立能量转换的理论计算模型分析压电电磁复合发电系统的输出功率及其与感应线圈高度的关系,分别讨论了压电和电磁独立发电系统和集成发电系统等的输出功率及其相互关系。经反复试验确定了微电源集成制作流程。     

低频高功率振动能量采集器研究进展

从振动能量采集器的低频、高功率特点出发,分析了电磁式、磁电式、静电式、压电式这四种结构的优缺点。详细介绍了这些振动能量采集器的发展现状与趋势,并比较了它们的性能与实用性。压电式振动能量采集器的研发时间最早,各项性能参数较均衡。设计时可以优先选择压电式振动能量采集器。     

线性三自由度低频压电振动能量采集器

基于线性多自由度振动的概念,提出并设计了一种线性三自由度(3DOF)振动能量采集器。该能量采集器包括一、二阶传动梁及传统单悬臂梁。数学建模及有限元仿真结果表明,多阶传动梁垂直相接构成的线性多自由度系统可有效调节并降低系统的工作频率。实验结果表明,线性三自由度能量采集器在0~100 Hz频率范围内,具有3个电压峰值,有效带宽15Hz,与理论分析相吻合。另外,与传统单悬臂梁能量采集器相比,工作频率降低,频带扩增275%。     

压电MEMS扬声器的设计与优化

为了提高压电微机电系统(MEMS)扬声器的声压级,该文提出了一种新型的扬声器振膜结构,该结构由4个相同的扇环驱动单元和中间圆形质量块组成,并在上表面覆有一层柔性材料,形成刚性-柔性耦合封闭振动膜。优化该结构中圆形质量块半径r₂和相邻扇环的相邻边夹角θ等参数。结果表明,当θ=50°,r₂=700μm时,声压级最大。在保证振膜面积相同和谐振频率基本一致的情况下,与优化后的固支圆形多层振膜相比,该文所提出的新型结构声压级高5 dB。     

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。     

MEMS微继电器及其关键问题研究现状

通讯等应用领域微型化的需求和微机械加工技术的进步推动了基于微机电系统(MEMS)技术的微继电器的快速发展。介绍了国外MEMS微继电器的研究现状,分析了不同类型MEMS微继电器的特点,讨论了MEMS微继电器的基本结构特征和关键问题,并分析了MEMS微继电器的发展趋势和面临的挑战。     

移动互联网络时代MEMS技术的创新发展

微电子机械系统(MEMS)技术是半导体微电子学的创新,利用Si基集成电路的平面工艺从两维加工向三维加工发展,开创了MEMS新的领域。综述并分析了与信息产业以及移动网络相关的MEMS主流产品(加速度计、陀螺仪、微麦克风、数字微镜器件(DMD)、喷墨头和RF MEMS)的技术发展现状和趋势,同时预测了MEMS新兴产品(光滤波器、微小电子鼻、微扬声器、微超声器、微能量采集器和纳机电系统(NEMS))的科研现状和面临的技术挑战。从当前世界MEMS技术发展的特点(系统集成、与CMOS工艺结合走向标准加工、纳米制造与微米、纳米融合和多应用领域扩展)出发,结合国内MEMS技术发展的现状,提出我国MEMS技术发展的建议。     

基于拱形结构的摩擦-压电复合式能量采集器

随着纳米技术和加工工艺的发展,纳米发电机被提出用于将自然界中微弱低频振动机械能转化为电能,进而为小型传感系统长续航工作提供可能.基于摩擦纳米发电机和压电纳米发电机的电荷积累与转移规律,设计了拱形结构并构建了摩擦-压电复合式能量采集器,将两种力-电转换模式有效整合,并突破了以往能量采集器只能收集垂直方向机械能的限制.搭建...     

引信用MEMS悬臂梁式压电射流发电机设计分析

针对目前引信用压电式气流谐振发电机体积大,压电膜片难以达到谐振状态,且有输出电压低等缺点,结合常用射流发电机原理和微机电系统(MEMS)制造工艺,提出了一种MEMS压电式射流发电机,其以悬臂梁式压电膜片代替压电膜片结构发电,并通过双向流固耦合分析及压电仿真等对发电机的性能进行了验证,结果表明,MEMS压电式射流发电机可满足低功耗引信使用,且具有结构简单,体积小,输出电压高等特点。     

基于激光切割的叉指结构悬臂梁式压电振动能量采集器

为了拓宽有效的输出带宽,通过激光切割法进行加工,设计并制备了一种具有叉指结构的锆钛酸铅(PZT)悬臂梁式压电振动能量采集器(PVEH)。仿真结果显示,相比常规的悬臂梁式PVEH,具有叉指结构的悬臂梁式PVEH拥有更低的一阶固有频率以及更多的输出电压峰值。利用双通道示波器、函数信号发生器、振动台、加速度计和功率放大器等搭建测试平台,对制备的悬臂梁式PVEH进行测试。结果表明,在0.5g加速度的条件下,常规的悬臂梁式PVEH的固有频率为30.80 Hz,输出电压峰值为4.88 V;具有叉指结构(叉指数目为8且叉指长度为40 mm)的悬臂梁式PVEH具有4个固有频率,分别为17.70、37.30、74和81 Hz,对应的输出电压峰值分别为7.28、3.07、0.366和0.084 V。通过对比研究发现,具有叉指结构的悬臂梁式PVEH的一阶固有频率降低了42.53%,一阶输出电压峰值提升了49.18%,实现了性能的有效提升。     

石英MEMS陀螺的结构特性分析

介绍了石英微机电系统(MEMS)陀螺的工作原理及敏感芯片的音叉结构特点,采用有限元法分析了敏感芯片的结构特性,并对结构进行优化。利用石英晶体的压电效应,设计了合理的电极布局,并结合敏感芯片结构特点介绍了其微机械加工工艺。通过结构优化和合理的电极布局,提高了石英MEMS陀螺的性能。