环境振动能收集系统的微型压电悬臂梁设计与制作

　　0　引言

　　随着微技术不断提高,以微型传感器和执行器为代表的微机电系统(Micro Electro-MechanicalSystems,MEMS)得到广泛应用,寻找新型的能够满足无线MEMS工作的微电源已经成为微系统研究的关键技术之一[1]。当前的微电池类型主要有:太阳能微电池[2]、锂离子电池[3]、燃料电池[4]等。以上微型电池具有各自的显著优点,但同时也受到使用环境限制。如太阳能电池必须有光线照射,难以为植入式微系统提供电能;锂离子电池寿命有限或需要不断充电;燃料电池工作过程中不断产生水汽排放,这将影响电子元件正常工作。随着微系统功耗逐渐降低,利用环境振动能为其提供能量将成为一种新型的能源形式。设计合理的能量收集装置将能产生足够电能满足未来微型化无线网络节点设备的功耗需求。收集振动能方式有压电转换、电磁转换、静电转换等[5-6]。以压电陶瓷机电耦合性能作为换能基础设计制作的微型压电发电装置具备以下优点:结构简单、能量密度高、与MEMS加工工艺兼容等。能量转换效率与压电体应变密切相关,经过反复工艺实验研究,本文对一种微型硅基压电悬臂梁加工工艺进行了初步研究,获得了初步结果。

　　1　微型压电悬臂梁设计

　　1. 1　压电转换收集振动能理论

　　压电陶瓷属于铁电体,具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域,它有一定的极化方向,内部存在一定的电场。在无外电场作用时,各个电畴在晶体上杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。被直流电场极化后的压电陶瓷内部电畴极化方向趋于同一个方向[7]。当外力作用到压电陶瓷上并引起材料发生变形,材料内部正、负束缚电荷之间的距离变小,极化强度也变小,因此,原来吸附在电极上的自由电荷,有一部分被释放,而出现放电现象。当压力撤消后,陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程),片内的正、负电荷之间的距离变大,极化强度也变大,因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象,电荷在电路中移动实现对外部负载做功,向外输出电能,如图1所示。

　　四方晶系压电材料具有五个方向的压电系数:d33, d31, d32, d15, d24,其中d31=d32, d15=d24。理论上可以设计三种受力结构的压电发电装置,在一般受力结构中,难以实现压电耦合系数d15所在的方向反复加载。实际设计中以压电耦合系数d33、d31为主,一般来说,当驱动力较大,而结构变形不大时,选择d33型机电耦合转换;驱动力较小,而结构变形大时考虑选择d31型机电耦合转换,环境振动可以扰动拾振动特性好的悬臂梁结构产生较大形变量,据此,悬臂梁结构配合具有机电转换效应的压电材料能够实现振动机械能向电能转换。