振动驱动MEMS压电-磁电复合微能源技术研究

高能量输出密度的自我供电微能源技术有着迫切的应用需求，是智能化MEMS器件系统发展的重要方向。振动能量拾取MEMS压电-磁电复合式微能源具有体积小、重量轻、能量密度高、寿命长、无污染、对环境适应性强等优点，有望为野外和置入结构的微系统、无线传感网络节点、便携式微电子产品提供高可靠、长时间的电能。本项目研究的基于压电-磁电复合技术的振动能量拾取MEMS微能源将外界环境振动能转化为电能，整合了压电发电和电磁发电的优势，提高输出电压、电流。利用新型四悬臂梁-中心质量块结构代替传统的单悬臂梁结构，在每个悬臂梁上都集成制备PZT薄膜压电层，增加了压电发电能量，提高了系统的总体能源密度与输出效率，同时，四悬臂梁-中心质量块结构固有频率低，与环境振动极易产生共振，更易于产生高密度的电能量，为MEMS自供给能源系统设计提供了新思路。本项目系统的研究了微纳尺度下压电材料机电转换效应及电磁能量转换机理。建立压电-磁电复合技术的振动能量拾取MEMS微能源的结构模型，利用ANSYS 11.0有限元分析软件对器件结构进行静态分析、模态分析、谐响应分析，结合微机械加工工艺限制条件，得出最优的加工尺寸。采用溶胶-凝胶工艺，实现3英寸Pt（111）/Ti/SiO2/Si（100）上PZT压电薄膜材料的异质集成。通过设计版图，结合体硅加工工艺、表面微加工工艺、LIGA工艺、键合工艺，完成四悬臂梁-中心质量块结构、永久性磁柱、电极及螺旋感应线圈的设计加工，实现振动能量拾取MEMS压电-磁电复合式微能源的集成制造，所研制出的微能源器件整体结构尺寸为7000μm×7000μm×300μm，单个PZT 压电单元面积为1.496×10-3cm2，螺旋感应线圈的宽×厚=20µm×0.3µm、占空比为1:2。搭建振动测试系统，对基于压电-磁电复合技术的振动能量拾取MEMS微能源的性能进行了测试，器件在频率为8Hz/1.6g加速度激励下，压电部分的开路电极间输出电压峰峰值达到0.3V、输出电流峰峰值为20nA，压电敏感单元单位面积输出电压达17.725V/.cm2，磁电部分的开路电极间输出电压峰峰值达到0.006V、输出电流峰峰值为0.11nA，该测试结果为基于压电-磁电复合技术的振动能量拾取MEMS器件在微机电器件及系统中的实用化应用提供理论依据和技术指导。