应用于物联网微电子器件的MEMS基压电微型能量采集技术研究

MEMS-based micro energy harvesters have some advantages, such as simple structure, easy integration, long life and microminiaturization. With the rapid development of internet of things and implantable devices, micro energy harvester will be one of some important methods of developing novel clean power sources. Up to now, because the output power of MEMS-based energy harvester is very low, it is difficult to provide enough power for micro electronic devices. Currently MEMS-based energy harvesters are in the phase of developing and research. This pupose of this project is to improve the conversion coefficient and output power through the hybrid mechanisms of frequency-up and multi-frequency. The effect of air damping on the output voltage will be studied by the low cost packaging of the fabricated device. Based on the optimized circuit and set-up plat form, the output performance of the harvester is evaluated and analyzed. Then the feasibility of the harvesters in the application of internet of things will be explored, which will build up a good technical and application basis for the development of novel clean power sources in future.

基于MEMS技术的微型能量采集器具有结构简单、易集成、寿命长、微型化等优点，在当今日益发展顺速的物联网、可植入人体器件中有着潜在的应用前景，是当前开发新型清洁能源的重要途径之一。到目前为止，由于MEMS技术的能量采集器输出功率较低难以应用到微电子器件中，因此还处于研发阶段。本项目以研究高转换效率和高输出功率的能量采集器为研究对象，利用新颖的工作机制即频率转换和多频结合的方式提高和改善输出性能；研究空气阻尼对输出性能的影响，采用低成本的真空封装研究其性能；并采用优化设计的电路和测试平台对研发的样机进行性能评估和分析，探索其在物联网中微电子器件应用的可行性，为开发新型清洁能源奠定技术和应用基础。

基于MEMS技术的微型能量采集器具有结构简单、易集成、寿命长、微型化等优点，在当今日益发展顺速的物联网、可植入人体器件中有着潜在的应用前景，是当前开发新型清洁能源的重要途径之一。本项目提出了基于压电厚膜的MEMS压电振动能量采集器设计方案。针对MEMS压电能量采集器，从结构类型、材料选用、工作模式等方面进行分析，在此基础上结合实际制备工艺，设计了以PZT作为压电功能层，压电悬臂梁作为能量采集器的主体结构，并在梁自由端部添加镍金属质量块和集成质量快的两种压电能量采集器结构。建立了压电式振动能量采集器的机电耦合模型，分析了压电能量采集器的结构参数（主要有压电悬臂梁和质量块长度、支撑层和压电材料厚度、悬臂梁宽度和质量块高度）对器件谐振频率和负载输出功率密度的影响，讨论了各参数之间的相互耦合关系； 研究了一种基于键合和减薄技术的高性能压电厚膜制备及其图形化方法。本项目采用导电环氧树脂作为中间粘接层实现PZT和Si基片的结合，在键合压力为0.1Mpa、固化温度175℃的优化键合参数条件下，可获得15Mpa以上的键合强度；采用机械研磨与湿法刻蚀相结合方法实现压电体材的减薄，成功制备出了厚度可控（PZT: 10～100µm）、结构致密以及性能优异的压电厚膜。研究了微压电能量采集器的MEMS加工方法及其实现过程，包括金属质量块、集成硅质量快的加工制备。采用由激振系统、振动监测系统和电学测试系统构成的能量采集器测试系统对实验样机进行了全面的测试，包括谐振频率、电压输出、功率输出、整流与电容存储等相关参量和特性。基于PZT材料的镍质量块的硅矩形结构的实验样机最佳性能：1.0g加速度、514.1Hz的振动激励下，输出交流电压5.04VP-P，最大负载输出功率11.56μW，功率密度约28856.7μW/cm3；基于硅质量块的压电式振动能量采集器在1g的加速度振源激励下，谐振频率为523Hz，此时输出电压为9.2V，器件的最大输出功率为57.6微瓦；在0.5g的加速度振源激励下，谐振频率为528Hz，此时输出电压为5.32V，器件的最大输出功率为20.2微瓦。