【摘 要】
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本文针对悬臂梁式压电能量采集器功率密度不高和适用性低等问题,设计并制备了一种基于块材PZT的图形化镂空的悬臂梁压电能量采集器,以使得压电能量采集技术在低频特性下具备应用目标的适应性,提升能量输出能力,增强压电能量采集器件的实际应用性能。本文的主要研究内容如下:（1）以不锈钢基压电能量采集器为例,分别研究了衬底不同杨氏模量、密度对器件固有频率和电压输出的影响。提出了以柔性黄铜替换不锈钢作为衬底,并设
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本文针对悬臂梁式压电能量采集器功率密度不高和适用性低等问题,设计并制备了一种基于块材PZT的图形化镂空的悬臂梁压电能量采集器,以使得压电能量采集技术在低频特性下具备应用目标的适应性,提升能量输出能力,增强压电能量采集器件的实际应用性能。本文的主要研究内容如下:（1）以不锈钢基压电能量采集器为例,分别研究了衬底不同杨氏模量、密度对器件固有频率和电压输出的影响。提出了以柔性黄铜替换不锈钢作为衬底,并设计了一种图形化镂空的仿真模型,通过有限元仿真分别计算了悬臂梁弹性层在谐振条件下的应力分布和电荷密度分布。仿真计算得出,梯形镂空式压电能量采集器具有最佳性能,相比于未镂空黄铜基器件,其最大应力处从夹紧端处延展至4400μm处,平均应力提升了71.4%,平均电荷密度提升了5.6倍。（2）通过多层复合加工工艺完成能量采集器的制备。选用高压电系数PZT作为压电层、低模量黄铜作为衬底,并设置不锈钢基压电能量采集器为对照组,探究了不同衬底的工艺条件;利用真空热压键合、丝网印刷和激光焊接完成器件原型的制备,并通过激光刻蚀技术获得分别带有三角形、矩形和梯形孔的压电能量采集器。（3）有限元仿真得出各镂空式压电能量采集器悬臂梁弹性层的应力分布和电荷密度分布,并通过实验测试验证了带有镂空孔器件的优越性能。结果表明,镂空设计能大大提高器件的整体应力水平和功率密度。所提议的梯形镂空式压电能量采集器具有最佳性能,在加速度、谐振频率和匹配负载分别为0.5g、56.3Hz和114kΩ时,其峰值电压和功率密度分别为17V和2.52m W/cm~3。与未镂空器件相比,其峰值电压和最大功率密度分别提高了30.7%和24.4%,谐振频率降低了7%。仿真和实验验证了提高应力分布可作为改善器件性能的重要指标。
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