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基于柔性衬底的压电式mems传感/能量收集器研究

基于柔性衬底的压电式MEMS传感/能量收集器研究

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作者：祁利辉北方工业大学

学位级别：硕士

基于纳/微机电系统(n/mems)的柔性压电式能量收集器具有质量轻、柔性和耐用性好、集成化和微型化等优点,在信息通讯、生物医学和航空航天等高科技领域具有广泛的应用前景及重要的应用价值。本课题设计了一种柔性、透明的压电式mems传感... 详细信息

基于纳/微机电系统(n/mems)的柔性压电式能量收集器具有质量轻、柔性和耐用性好、集成化和微型化等优点,在信息通讯、生物医学和航空航天等高科技领域具有广泛的应用前景及重要的应用价值。本课题设计了一种柔性、透明的压电式mems传感/能量收集器,研究了它的工作原理和发电机制,并将Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)单晶纳米线的水热合成工艺与mems微加工工艺相结合,实现了基于柔性衬底的mems传感/能量收集器的制作和机电、光学性能测试。首先,采用水热法制备了PZT单晶纳米线,并对其微结构和电学性能进行了表征测试分析。当反应温度为200℃时,生长72小时的PZT纳米线的最大长度约为75μm,直径约为700nm,长径比约为107。高分辨透射电子显微镜结果显示PZT纳米线属于单晶结构。同时,单根PZT纳米线显示了典型的铁电电滞回线,且漏电流密度在10-1A/cm2数量级,表明该纳米线具有良好的铁电性能。然后,采用旋涂法和挤压法制备了聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性衬底,并将超长PZT单晶纳米线与其集成,实现了柔性mems传感/能量收集器的制作。400nm-1000nm波长范围内的透射光谱显示,PDMS薄膜的平均透过率约为94%,20滴PZT纳米线的mems传感/能量收集器的平均透过率约为60%,50滴PZT纳米线的mems传感/能量收集器的最大透过率约为58%,平均透过率大于50%,这表明该能量收集器在可见光-近红外范围内具有良好的光学透明度。最后,柔性mems传感/能量收集器的电学性能测试结果表明,当施加的动态压强频率为100Hz时,传感/能量收集器的输出电压最大。当施加的动态压强增大时,开路输出电压随之增大,当施加动态压强为75kPa时,器件输出的开路峰一峰电压为14.4V,平均开路电压约为7.2V,力传感灵敏度约为96mV/kPa。当接有7MΩ负载电阻时,交流输出功率达到最大,动态压强为75kPa时的均方根输出电压约为1.15V,输出功率约为0.19μW。通过连接桥式整流电路和电荷存储电容,当负载电阻为10MΩ时,动态压强为75kPa时的直流输出电压约为1.32V,输出功率约为0.17μW,该结果比现有的一些已报道的压电式纳米能量收集器的输出电压和功率密度更高,且可见光透明度相当。

关键词： n/mems 传感/能量收集器柔性透明度电学性能

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