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《大连理工大学》 2006年
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收集振动能的压电微电池设计和制作工艺研究

张海军  
【摘要】:MEMS技术的不断发展,使人们制造出众多的MEMS器件和产品,但是如何给MEMS器件供能成了目前亟待解决的问题。传统的电池由于尺寸太大难以集成到MEMS产品中,同时MEMS装置迫切需要的不是大的功率而是长的使用寿命,因此对于长寿命微小型电池的研究非常有必要。 收集环境中的能量来给微系统供能引起了人们越来越多的关注。振动能在环境中随处可见,且没有污染,如果能够对其进行收集并加以利用,将是很好的发电方式。将振动能转换为电能的方式主要有电磁转换、静电转换、压电转换等等,本文主要探索了振动能到电能的压电转换方式。 本文意在设计一种带有质量块的硅微压电悬臂梁,当受到外界激励时,悬臂梁振动并弯曲,利用压电薄膜的正压电效应产生电荷,通过外电路对输出电荷进行收集和处理,从而作为微电池为微功耗器件供能。 论文首先对收集振动能的压电微电池进行结构设计和仿真。根据质量—弹簧—阻尼系统的振动原理得出要制作的微悬臂梁结构,根据材料力学和压电理论对该振动能收集系统进行简单的理论推导,并用有限元分析软件ANSYS进行仿真,通过模态分析和谐响应分析,得到悬臂梁的几何参数与系统的固有频率及输出电压的关系,为后续悬臂梁的制作提供了参考。 PZT铁电薄膜是实现机械能向电能转换的关键,本文采用溶胶—凝胶法来制备PZT铁电薄膜。通过反复实验,对溶胶的浓度、配比、水浴温度等参数进行调整,得到了透明澄清、性能稳定的PZT溶胶。通过改变甩胶的速度、时间,热处理的温度等参数,制得了表面平整、无裂纹的PZT薄膜,该PZT薄膜沿(111)方向择优生长,具有一定的压电性,可以用于微悬臂梁结构中进行能量的转换。 根据论文第二章仿真的结果,对制作悬臂梁所需的掩模版进行设计,并利用光刻、氧化、溅射、湿法腐蚀、剥离、ICP刻蚀等工艺,制备出集成了压电薄膜PZT的微悬臂梁结构,得到了一套可行的工艺方案。最后制备的悬臂梁电极有三明治结构和梳齿结构两种。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TM919

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【引证文献】
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5 陈会林;PSZT压电薄膜的制备,表征与应用[D];大连理工大学;2009年
【参考文献】
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2 杜小振;褚金奎;朴相镐;张海军;;基于微型悬臂梁的发电机制探索[A];中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集(一)[C];2005年
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5 刘红梅;MEMS器件用PZT薄膜的制备及性能研究[D];哈尔滨工程大学;2005年
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【共引文献】
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4 蔡长龙;马睿;周顺;刘欢;刘卫国;;Si材刻蚀速率的工艺研究[J];半导体技术;2008年10期
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6 张力江;幺锦强;周俊;王敬松;;ICP腔体压力对直流偏压的影响[J];半导体技术;2010年08期
7 孔祥东,张玉林,宋会英,卢文娟;微机电系统的微细加工技术[J];微纳电子技术;2004年11期
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9 张鉴,黄庆安;ICP刻蚀技术与模型[J];微纳电子技术;2005年06期
10 李伟东,张建辉,吴学忠,李圣怡;ICP刻蚀技术在MEMS器件制作中的应用[J];微纳电子技术;2005年10期
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1 王骥;柳建松;杜建科;黄德进;;薄膜体声波谐振器结构与振动分析[A];第三届全国压电和声波理论及器件技术研讨会论文集[C];2008年
2 董天晓;王丽坤;秦雷;李莉;吴炜伟;王钢;;压电圆柱叠堆换能器的有限元分析[A];第三届全国压电和声波理论及器件技术研讨会论文集[C];2008年
3 王德石;杜贻群;任斌;;低频钹式换能器的性能分析与设计[A];第十二届全国非线性振动暨第九届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文集[C];2009年
4 鲍诗杰;徐志科;金龙;;叠层型压电致动器的驱动电源研究[A];第十三届中国小电机技术研讨会论文集[C];2008年
5 张宏斌;祝要民;裴世轻;李董轩;赵胜利;;锡基氧化物薄膜的制备及结构表征[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(4)[C];2007年
6 罗承刚;;CZ14型压电加速度传感器机电耦合仿真分析[A];四川省电子学会传感技术第九届学术年会论文集[C];2005年
7 陈异;监德均;陈强;肖定全;朱建国;;(1-x)BiScO_3-xPbTiO_3铁电陶瓷的制备与性能研究[A];四川省电子学会传感技术第九届学术年会论文集[C];2005年
8 罗承刚;;CZ14型压电加速度传感器机电耦合仿真分析[A];中国工程物理研究院第七届电子技术青年学术交流会论文集[C];2005年
9 朱永伟;云乃彰;吴冰杰;;制作微器件的超声电解复合微细加工试验研究[A];2005年中国机械工程学会年会论文集第11届全国特种加工学术会议专辑[C];2005年
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6 瞿鹏飞;用于光控相控阵的微波光子移相器的研究[D];吉林大学;2011年
7 曲磊;多场耦合电磁弹性体的基本理论与计算方法研究[D];合肥工业大学;2011年
8 吴志亮;特种小型机电引信设计及关键技术研究[D];南京理工大学;2010年
9 李敏毅;铌酸锂高频超声换能器的研制与输出功率测量[D];华南理工大学;2011年
10 钱征华;压电复合材料及层状结构中弹性耦合波问题研究[D];西安交通大学;2007年
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1 张斌;压电双晶片型微位移放大机构研究[D];河南理工大学;2010年
2 唐菱;基于电校准的大口径强激光能量测量技术的研究[D];中国工程物理研究院;2010年
3 张吕权;压电微探针中PZT薄膜与硅尖制备工艺的研究[D];大连理工大学;2010年
4 张颖;仿生皮纳升高通量进样系统设计及制作[D];大连理工大学;2010年
5 刘博;硅基微结构SnO_2气体传感器结构改进研究[D];大连理工大学;2010年
6 孟威;薄膜集成磁件结构拓扑优化与制备工艺研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
7 戴顺洪;NBT-KBT-100x压电薄膜的制备及表征[D];湘潭大学;2010年
8 何涛焘;纵波压电传感器瞬态特性的模拟与实验研究[D];湘潭大学;2010年
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10 许华玉;有机铁电P(VDF-TrFE)薄膜的制备及铁电性能研究[D];湘潭大学;2010年
【同被引文献】
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1 柳纪虎,刘昶丁,刘永生;多级倍压整流电路的设计原理及其有关参数的计算方法[J];半导体技术;1992年04期
2 张林涛,任天令,张武全,刘理天,李志坚;硅基PZT铁电薄膜的制备与性能研究[J];半导体技术;2001年01期
3 董明;惠春;徐爱兰;;基于Ansys的压电式四臂加速度计模拟分析[J];传感技术学报;2006年03期
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1 黄世峰;水泥基压电复合材料的制备及其性能研究[D];武汉理工大学;2005年
2 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[D];大连理工大学;2006年
3 徐玲芳;1-3型PZT5/epoxy resin压电复合材料的制备、结构与性能研究[D];武汉理工大学;2006年
4 杜小振;环境振动驱动微型压电发电装置的关键技术研究[D];大连理工大学;2008年
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1 王凤霞;柔性悬臂梁的非线性振动与全局动力学的研究[D];北京工业大学;2002年
2 何雁斌;活性粉末混凝土(RPC)的配制技术与力学性能试验研究[D];福州大学;2003年
3 杨莺;锆钛酸铅铁电薄膜的制备及性能测试[D];西安理工大学;2003年
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5 潘平彬;基于ANSYS的压电复合材料性能分析与研究[D];南京航空航天大学;2004年
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【二级引证文献】
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【二级参考文献】
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2 杨岳,周兆英,叶雄英,李勇;微机械加工技术[J];半导体技术;1994年06期
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9 李映平,赖百坛,陈荷娟,黄晓毛;一种新型的可蓄能压电电源原理研究[J];兵工学报;2004年04期
10 郑伟智,辛洪兵;压电马达的发展及其技术特点[J];北京工商大学学报(自然科学版);2003年01期
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5 王立鼎;;微机电系统的发展趋势及国内外研发状况(摘要)[A];中国科协2001年学术年会分会场特邀报告汇编[C];2001年
6 陈十一;Gary D Doolen;聂小波;;应用格子Boltzmann方法(LBM)模拟微机电系统(MEMS)中的流动[A];自然、工业与流动——第六届全国流体力学学术会议论文集[C];2001年
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8 何庆;索智群;乔东海;;单晶硅电容式低频传声器的设计和制作[A];2009’中国西部地区声学学术交流会论文集[C];2009年
9 张岩;申胜平;;微悬臂梁传感器的力学机理[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
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4 ;用事业测量人生[N];山西日报;2004年
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7 曹东;我国首颗内置传感器芯片在上海张江诞生[N];中国高新技术产业导报;2009年
8 沈尔安;振动益健康[N];中国医药报;2001年
9 张亮;美缩微冰箱让庞然大物失温[N];科技日报;2005年
10 本报记者 许泳;MEMS:越感知越火热[N];计算机世界;2010年
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1 杜小振;环境振动驱动微型压电发电装置的关键技术研究[D];大连理工大学;2008年
2 祝捷;微机电系统自聚焦压电声学换能器[D];武汉大学;2010年
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5 余洪斌;MEMS-DMs理论设计及工艺研究[D];华中科技大学;2005年
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7 鲍俊峰;基于微加工技术的光开关及光互连结构研究[D];浙江大学;2006年
8 刘危;基于MEMS的低成本MIMU的应用研究[D];国防科学技术大学;2004年
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10 郭彤;基于显微干涉术的微机电系统动态测试方法与系统的研究[D];天津大学;2004年
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1 张海军;收集振动能的压电微电池设计和制作工艺研究[D];大连理工大学;2006年
2 卢西山;引信微机电气动换能器设计及性能数值分析[D];南京理工大学;2012年
3 李涛;收集环境振动能微压电发电装置的制作与测试[D];大连理工大学;2009年
4 王青萍;基于压电臂梁的振动能量收集器的研究[D];华中科技大学;2010年
5 吴昊;基于压电效应的环境振动能量获取技术研究[D];南京航空航天大学;2012年
6 任思源;太阳能与振动能综合转换收集技术研究[D];华北电力大学(北京);2010年
7 李杨;三维无线能量传输技术在体内微机电系统中的实验研究[D];华南理工大学;2011年
8 熊叶胜;一种波浪压电发电装置的研究[D];大连理工大学;2012年
9 郭鹏伟;基于宽禁带半导体的β辐射伏特效应放射性同位素微电池理论研究[D];南华大学;2012年
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