【摘 要】
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随着微纳米技术的迅速发展,越来越多的可穿戴设备以及植入式医疗电子器件被广泛应用,这对配套供电设备提出了柔软轻便、能源可再生等的新要求。传统的基于刚性基底的压电能量
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随着微纳米技术的迅速发展,越来越多的可穿戴设备以及植入式医疗电子器件被广泛应用,这对配套供电设备提出了柔软轻便、能源可再生等的新要求。传统的基于刚性基底的压电能量收集器可能已经不适用于新的工作环境,具有优良柔韧性、拉伸弯曲性和生物相容性的柔性压电能量收集器已成为现阶段研究的热点。目前对柔性压电能量收集器研究的重点主要集中于压电材料的选择以及新结构的设计,以提高其输出性能从而满足各类电子产品的供能需求。本文对现有的带状PZT薄膜阵列结构作出了改进,通过创新性地使用蛇形结构,设计了两种结构的柔性蛇形压电能量收集器。其中结构一提高了PZT薄膜对环境中不同方向变形的感知能力,进而提高了器件整体的输出性能。同时,对柔性压电能量收集器的力学与电学特性进行了理论分析,从而构建了一整套完整的理论模型。最后通过ABAQUS有限元仿真软件对设计的蛇形结构和构建的理论模型进行了仿真验证,理论计算结果与仿真结果的相对误差为5.15%。通过MEMS工艺完成了柔性压电能量收集器的制备,重点对PZT薄膜的制备工艺细节以及器件的转印工艺进行了研究和优化。最终制备出了性能良好的PZT薄膜并成功地将结构一器件由硅片基底上转印至柔性聚酰亚胺衬底上。通过XRD测试表明,本文中所制备的PZT薄膜中以(110)晶向为主要晶向,其择优取向度达到了70.55%,后续各项测试中表明PZT薄膜在(110)晶向下可以获得良好的介电、铁电性能。漏电流测试表明,在范围为0-15V、扫描间隔为0.1V的加载电压下,PZT薄膜的漏电流控制在1.2×10-8A之内。介电性能测试表明,在频率为50-10000Hz、幅值为1V的加载电压下,电容变化幅度不超过3.1nF,并且在50Hz的加载电压下,相对介电常数达到了1062。铁电性能测试表明,电滞回线图形饱和良好,剩余极化强度+Pr为13.6μC/cm2,-Pr为10.1μC/cm2。通过器件输出测试表明,本文所制备的柔性压电能量收集器的开环电压随时间呈明显的周期性变化,在屈曲位移载荷为1.5mm的条件下,结构一在方向一上最大幅值达到了120.45mV,在方向二上最大幅值达到了44.8mV,已具备一定的实际应用价值。
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