吳文中臺灣大學:工程科學及海洋工程學研究所林順區Lin, Shun-ChiShun-ChiLin2010-07-142018-06-282010-07-142018-06-282009U0001-2707200913571500http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/188960本篇論文主要製作能從環境中擷取機械振動能並且轉換成電能的微型能量擷取器，此擷取器主要透過d31壓電模式作為能量轉換的方式，所謂的d31壓電模式是在壓電層PZT上下製作電極層作為能量輸出端，並且透過微機電製程技術設計並製作二維結構作為能量轉換裝置，而壓電層PZT主要是利用沉積效率高且低溫製程的氣膠沉積法進行PZT層的製作。實驗結果成功製作出d31壓電模式的二維結構微型能量擷取器，並且就其能量擷取進行輸出電壓對阻抗與輸出功率對阻抗的量測，另外也就輸出電壓對加速度及輸出功率對加速度的數據進行量測分析；量測結果在共振頻率為110.2Hz且加速度1.6 g的環境下，單支樑負載電阻時，其最大輸出功率為12.44 nW此時輸出電壓為82.27 mV；另外在共振頻率為110.5Hz且加速度1.6 g的環境下，並聯每支樑且負載電阻時，其最大輸出功率為13.09 nW此時輸出電壓為73.09 mV。This dissertation presents the development of a piezoelectric MEMS generator that has the ability to scavenge mechanical energy of ambient vibrations and transform it into useful electrical power. The piezoelectric MEMS generator is a 2D structure type transducer made with silicon process and can transform mechanical energy into electrical energy with piezoelectric PZT layers. The d31 mode device is the PZT layer sandwiched in between laminated electrodes. A home-made PZT deposition machine using aerosol deposition method was used to fabricate the high-quality PZT thin film efficiently. The experimental results show that single branch of the device has maximum output power of 12.44 nW with 82.27 mVP-P output voltage excited at its resonant frequency, 110.2 Hz under 1.6 g acceleration level. The device has maximum output power of 13.09 nW with 73.09 mVP-P output voltage measured at its resonant frequency 110.5 Hz under 1.6 g acceleration.目錄謝 I文摘要 IIIbstract IV錄 V目錄 VIII目錄 IX一章 緒論 1-1 研究動機 1-2 論文架構 8二章 壓電原理與文獻探討 9-1 壓電原理 9-1-1 壓電性質 9-1-2 壓電材料的種類 11-1-3 壓電本構方程式 12-2 文獻回顧 15-2-1 微型能量擷取器文獻回顧 15-2-1.1 夾心式架構 15-2-1.2 懸臂樑式架構 17-2-1.3 薄膜式架構 19-2-1.4 其他 20-2-2 壓電薄膜成長方式 21-2-2.1 凝膠法 21-2-2.2 濺鍍法 23-2-2.3 水熱合成法 24-2-2.4 網膜印刷法 24-2-2.5 雷射剝落法 25-2-2.6 氣膠沉積法 26-2-2.7 各壓電薄膜成長方式之比較 28-3 懸臂樑結構之微型能量擷取器 30三章 結構設計與PZT薄膜製作 34-1 設計概念 34-2 結構設計及模擬 38-3 PZT薄膜特性實驗分析 40-3-1 PZT粉末及氣膠沉積設備原理介紹 40-3-2 PZT材料特性實驗分析 43-2-2.1 退火溫度變化 44-2-2.2 XRD量測 45-2-2.3 磁滯曲線(P-E curve/hysteresis)量測 46-2-2.4 極化溫度對壓電磁滯特性之探討 49四章 微型能量擷取器之製作 51-1 實驗設備 51-2 實驗流程 54-2-1 光罩設計 55-2-2 黃光微影製作流程詳述 55-2-2.1 光阻選擇 55-2-2.2 黃光微影流程 57-2-3 電極與PZT薄膜製作 61-2-3.1 電極製作 61-2-3.2 PZT壓電薄膜製作 62-2-4 PZT退火 64-2-5 蝕刻製程 65-3 製程步驟 66五章 實驗結果與討論 78-1 製程實驗結果 78-2 量測實驗 81-2-1 極化實驗 81-2-1.1 極化治具設計及探針選擇 81-2-1.2 極化參數 83-2-1.3 極化流程 83-3 量測架構 85-3-1 量測治具設計 85-3-2 量測電路 86-4 量測結果與數據分析 87-4-1 電壓及功率與阻抗關係之量測 87-4-2 電壓及功率與加速度關係之量測 91六章 結論與未來展望 94-1 結論 94-2 未來展望 95考文獻 96目錄1-1 各種能量來源產生電能密度之比較 51-2 各種應用之訊號處理器之耗能比較表 72-1 壓電材料種類 112-2 壓電常數定義與關係表 142-3 各種PZT沉積方法特性比較 302-4 各懸臂樑結構之微型能量擷取器研究成果 333-1 d31與d33模式比較表 373-2 PZT之軟硬粉材料規格 423-3 PZT之軟硬材料特性 423-4 PZT沉積之參數 444-1 正、負光阻之曝光顯影參數 564-2 SOI晶圓規格 665-1 探針規格 825-2 探針套規格 825-3 極化參數表 835-4 輸出功率、電壓對阻抗之數據 885-5 輸出功率、電壓對加速度之數據 91目錄1-1 矽基底材微細加工 11-2 微機電各式元件 21-3 無線生醫感測系統 31-4 電源供應系統 41-5 從環境擷取能量的方式 (a)太陽能發電；(b)地熱發電；(c)風力發電 42-1 壓電效應 (a) 順壓電效應；(b) 逆壓電效應 102-2 壓電現象各變數間之關係圖 132-3 鐃鈸能量擷取器 162-4 磁致伸縮材料壓電能量擷取器 162-5 無線感測網路系統壓電能量擷取器 172-6 壓電雙晶能量擷取器 172-7 d33壓電模式微能量擷取器 182-8 低頻彎曲同心結構 182-9 微熱力能量擷取器示意圖 192-10 微熱力能量擷取器結構圖 192-11 微熱力能量擷取器工作循環 202-12 Sol gel 法調配及旋塗 222-13 濺鍍法示意圖 232-14 不同成分的PZT靶材 232-15 濺鍍法示意圖 232-16 水熱合成法示意圖 242-17 網膜印刷法示意圖 252-18 雷射剝落法示意圖 252-19 膠沉積法之系統架構圖 262-20 用電子顯微鏡拍攝之噴射印刷法鍍膜結果 272-21 檔板定義圖樣區域圖 272-22 檔板定義圖樣之鍍膜結果 282-23 PZT薄膜鍍膜方式以及所對應之薄膜厚度關係 282-24 PZT薄膜鍍膜方式以及所對應之製程溫度關係 292-25 H.B. Fang團隊的懸臂樑 302-26 M. Marzencki團隊的懸臂樑 312-27 Dongna Shen團隊的懸臂樑 322-28 本研究團隊的懸臂樑 (a) d31模式；(b) d33模式 323-1 壓電模式 343-2 振動時懸臂樑受力狀況 353-3 d31 及 d33 結構模式 353-4 電路整流系統 363-5 懸臂樑結構之微型能量擷取器模式 373-6 d31模式之二維結構圖 (a) 正面；(b) 背面 383-7 單支構造圖 393-8 COMSOL分析及模擬 393-9 氣膠沉積設備 (a) 構造示意圖；(b) 實體照片 413-10 壓電薄膜鍍膜厚SEM圖 413-11 測試元件的結構 433-12 測試元件SEM圖 431-1 矽基底材微細加工 11-2 微機電各式元件 21-3 無線生醫感測系統 31-4 電源供應系統 41-5 從環境擷取能量的方式 (a)太陽能發電；(b)地熱發電；(c)風力發電 42-1 壓電效應 (a) 順壓電效應；(b) 逆壓電效應 102-2 壓電現象各變數間之關係圖 132-3 鐃鈸能量擷取器 162-4 磁致伸縮材料壓電能量擷取器 162-5 無線感測網路系統壓電能量擷取器 172-6 壓電雙晶能量擷取器 172-7 d33壓電模式微能量擷取器 182-8 低頻彎曲同心結構 182-9 微熱力能量擷取器示意圖 192-10 微熱力能量擷取器結構圖 192-11 微熱力能量擷取器工作循環 202-12 Sol gel 法調配及旋塗 222-13 濺鍍法示意圖 232-14 不同成分的PZT靶材 232-15 濺鍍法示意圖 232-16 水熱合成法示意圖 242-17 網膜印刷法示意圖 252-18 雷射剝落法示意圖 252-19 膠沉積法之系統架構圖 262-20 用電子顯微鏡拍攝之噴射印刷法鍍膜結果 272-21 檔板定義圖樣區域圖 272-22 檔板定義圖樣之鍍膜結果 282-23 PZT薄膜鍍膜方式以及所對應之薄膜厚度關係 282-24 PZT薄膜鍍膜方式以及所對應之製程溫度關係 292-25 H.B. Fang團隊的懸臂樑 302-26 M. Marzencki團隊的懸臂樑 312-27 Dongna Shen團隊的懸臂樑 322-28 本研究團隊的懸臂樑 (a) d31模式；(b) d33模式 323-1 壓電模式 343-2 振動時懸臂樑受力狀況 353-3 d31 及 d33 結構模式 353-4 電路整流系統 363-5 懸臂樑結構之微型能量擷取器模式 373-6 d31模式之二維結構圖 (a) 正面；(b) 背面 383-7 單支構造圖 393-8 COMSOL分析及模擬 393-9 氣膠沉積設備 (a) 構造示意圖；(b) 實體照片 413-10 壓電薄膜鍍膜厚SEM圖 413-11 測試元件的結構 433-12 測試元件SEM圖 433-13 450 C、550C以及650C退火溫度時間變化圖 443-14 X光粉末繞射儀 453-15 未退火、450 C、550 C以及650 C硬性PZT XRD圖 453-16 未退火、350 C、450 C、550 C以及650 C軟性PZT XRD圖 463-17 磁滯曲線特性 473-18 未退火、450 C、550 C以及650 C硬性PZT P-E曲線 483-19 未退火、350 C、450 C、550 C以及650 C軟性PZT P-E曲線 493-20 室溫、90 C、160 C溫度之P-E曲線 504-1 黃光製程實驗室設備圖 514-2 化學製程實驗室設備圖 524-3 爐管及分析實驗室設備圖 534-4 d31模式之二維結構微型能量擷取器製作實驗流程圖 544-5 光罩設計流程圖 554-6 正、負光阻圖 564-7 AZP4620光阻塗佈轉速及時間 574-8 THB-151B光阻塗佈轉速及時間 574-9 光阻塗佈機操作示意圖 584-10 曝光種類(a)接觸式對準機；(b) 近接式對準機；(c) 投射式對準機 594-11 光阻微影程序圖 604-12 掀離法(Lift-Off)製作金屬圖案技術 614-13 電子束蒸鍍圖 624-14 PZT材料沉積時對光阻的蝕刻 634-15 PZT圖形的邊緣 634-16 PZT圖形的角落 644-17 650 C升/降溫參數 654-18 等向性與非等向性蝕刻 654-19 蝕刻SEM圖 (a) 等向性蝕刻；(b) 非等向性蝕刻 664-20 SOI晶圓清潔 674-21 蒸鍍速率圖 674-22 下電極製作流程及顯微鏡圖 694-24 PZT膜厚表面輪廓圖 714-25 上電極製作流程圖 734-26 蝕刻完後二維結構外型 754-27 PZT 外擴 SEM圖 754-28 背部蝕刻流程 764-29 結構尺寸圖 775-1 d31模式之二維結構微型能量擷取裝置完成圖 795-2 d31模式之二維結構微型能量擷取裝置SEM圖 805-3 電偶極化前後圖 815-4 極化治具 815-5 探針及探針套尺寸圖 825-6 實際極化圖 835-7 被電場擊穿後的PZT 845-8 治具安裝圖 (a) 治具拆解；(b) 治具安裝圖 865-9 實驗測量電路 865-10 元件編號與並聯 875-11 NO.1之0.5 g加速度下輸出電壓及功率與阻抗關係圖 885-12 NO.2之0.5 g加速度下輸出電壓及功率與阻抗關係圖 895-13 NO.3之0.5 g加速度下輸出電壓及功率與阻抗關係圖 895-14 NO.4之0.5 g加速度下輸出電壓及功率與阻抗關係圖 905-15 並聯之0.5 g加速度下輸出電壓及功率與阻抗關係圖 905-16 NO.1之輸出電壓及功率與加速度關係圖 915-17 NO.2之輸出電壓及功率與加速度關係圖 925-18 NO.3之輸出電壓及功率與加速度關係圖 925-19 NO.4之輸出電壓及功率與加速度關係圖 935-20 並聯之輸出電壓及功率與加速度關係圖 9323855626 bytesapplication/pdfen-US微機電壓電材料氣膠沉積法懸臂樑能量擷取MEMSpiezoelectric materialaerosol depositioncantilever beampower harvestingthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/188960/1/ntu-98-R96525012-1.pdf