高功率密度脉冲直流磁控溅射氮化铝MEMS振动能量收集器设计

本文研究了一种基于微机电系统(MEMS)的振动能量收集器，其核心是采用了脉冲直流磁控溅射沉积的氮化铝(AlN)压电薄膜。在这个创新设计中，AlN的选择是因为其高结晶度和良好的压电性能，对于能量转换效率至关重要。通过微电子机械加工技术，构建了一个悬臂式的结构，能够有效地捕捉和转化为电能。 压电效应使得这种能量收集器在低功率无线传感器网络节点中展现出了巨大的潜力，特别是在结构健康监测系统等应用中，提供了一种可持续且耐用的电源解决方案。研究团队通过精确控制磁控溅射工艺参数，确保了c轴取向的AlN薄膜的高质量沉积，这有利于最大化压电效应并提高能量转换性能。 作者开发了一种高精度的耦合分布参数模型，这个模型详细地考虑了压电薄膜的特性以及结构参数对能量转换的影响。模型的建立和ANSYS有限元分析的验证，为优化结构设计提供了强有力的支持，尤其是在处理长尖端质量的设备时，能有效避免共振问题，提升整体性能。 实验结果显示，当振动频率达到210.85 Hz，加速度为1 g时，该能量收集器的最大输出均方根电压可达4.66 V。在146.6 kΩ的负载电阻下，原型的输出平均功率和输出平均功率密度分别达到了56.4 μW和854.55 μW/(cm³·g²)，显示出显著的实用价值。 此外，文章还探讨了该原型在实际应用中的可能性，例如作为发动机故障监测节点。这一研究成果不仅展示了AlN压电薄膜在MEMS振动能量收集器中的潜力，也为微电子和纳米技术领域的研究人员提供了一套有效的设计和优化工具。 总结来说，这项工作为提高压电振动能量收集器的性能、优化其结构设计，并拓展到实际工业应用中提供了新的思路和方法，具有重要的科研和工程意义。