基于MEMS技術(shù)的微型電磁式振動(dòng)能量采集器的研究.pdf

1、集成電路技術(shù)的快速發(fā)展正在使各種電子產(chǎn)品不斷地趨向于微型化、無(wú)線化和便攜化。同時(shí),超低功率電路設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高又使得它們的功耗越來(lái)越低。因此,醫(yī)學(xué)植入、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、可穿戴器件等高新技術(shù)得以迅猛發(fā)展。但是,隨著研究的不斷深入,如何為這些器件長(zhǎng)期有效供電成為進(jìn)一步推進(jìn)其應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。這類器件通常耗能極低,可低至微瓦級(jí),但在應(yīng)用過(guò)程中往往是大量散布在環(huán)境條件苛刻、人類難以接近的地方或植入被測(cè)

2、物體內(nèi)部,對(duì)供能元件的體積、成本、工作條件、壽命等都提出較高的綜合要求。目前主要的供電方式是電池和有線電源。電池壽命短,存儲(chǔ)能量有限,并且相對(duì)傳感器而言體積和質(zhì)量大；定期更換電池會(huì)大幅增加使用成本,同時(shí)對(duì)于成千上萬(wàn)個(gè)隨機(jī)散布在自然環(huán)境中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)而言,定期更換電池幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。另一方面,各種醫(yī)學(xué)植入和結(jié)構(gòu)嵌入型微傳感器又要求系統(tǒng)脫離電源線和充電器的束縛。傳統(tǒng)的供電方式顯然已經(jīng)無(wú)法滿足上述新興技術(shù)對(duì)電源的特殊要求。能量采集技術(shù),能

3、夠收集器件周圍環(huán)境中廣泛存在的各種能量并根據(jù)某種能量轉(zhuǎn)換方式把采集的能量轉(zhuǎn)換成電能,從而可以代替電池等傳統(tǒng)供電方式為上述的各種低功耗電子器件供電,因此,正受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注與重視。
　　 本文圍繞基于MEMS技術(shù)的電磁式振動(dòng)能量采集器開(kāi)展研究工作。在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作基礎(chǔ)上,提出一種帶有空氣通道的三明治結(jié)構(gòu)電磁式振動(dòng)能量采集器的新型設(shè)計(jì),主要采用體硅微加工技術(shù)和非硅微加工技術(shù)制作硅基平面螺旋型鎳彈簧和感應(yīng)銅線圈結(jié)構(gòu)

4、,通過(guò)微組裝形成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。最后利用振動(dòng)激勵(lì)與測(cè)試系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行全面的測(cè)試與分析。論文的主要工作如下:
　　 1、建立了電磁式振動(dòng)能量采集器的物理模型,包括拾振系統(tǒng)的物理模型和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的物理模型。通過(guò)求解拾振系統(tǒng)在不同振動(dòng)條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),分析阻尼比、振源頻率等對(duì)系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性的影響。在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的物理模型中,通過(guò)求解系統(tǒng)從外界振動(dòng)所獲得的能量以及最終轉(zhuǎn)換得到的電能大小,來(lái)分析電功率輸出與輸入振幅、共振頻率、阻尼

5、比等因素的關(guān)系。最終建立設(shè)計(jì)電磁式振動(dòng)能量采集器應(yīng)遵循的一般原則,為后續(xù)的工作奠定基礎(chǔ)。
　　 2、提出了一種基于MEMS技術(shù)的微型電磁式振動(dòng)能量采集器的設(shè)計(jì)方案,主要包括NdFeB永磁體、硅基平面螺旋型鎳彈簧和雙層銅線圈結(jié)構(gòu)。采用體硅微加工技術(shù)和微電鍍技術(shù)集成制作硅基鎳彈簧,既克服了傳統(tǒng)機(jī)械加工精度低的缺點(diǎn),又克服了采用DRIE等硅深刻蝕技術(shù)制作硅彈簧的高成本的缺點(diǎn),同時(shí),可以通過(guò)選擇不同厚度的硅基底來(lái)控制永磁體和線圈的間隙。

6、針對(duì)自然界低頻振動(dòng)的特點(diǎn),選擇電鍍鎳材料制作微彈簧以及平面彈簧彈性臂的螺旋型設(shè)計(jì)更有利于降低拾振系統(tǒng)的固有頻率。采用ANSYS有限元軟件對(duì)拾振系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,研究平面彈簧彈性臂的寬度、間距、厚度、中間平臺(tái)面積、永磁體質(zhì)量等參數(shù)對(duì)拾振系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響。采用Ansoft Maxwell電磁場(chǎng)分析軟件仿真計(jì)算永磁體尺寸、線圈尺寸、永磁體線圈間距等參數(shù)對(duì)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出特性的影響。根據(jù)對(duì)拾振系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果

7、并結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件,確定最終結(jié)構(gòu)的具體尺寸參數(shù)如下:永磁體為2×2×2mm3,電鍍鎳彈簧彈性臂寬度500μm,彈性臂間距200μm,厚度50μm.彈簧中心平臺(tái)2.5×2.5mm2。微線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:方形螺旋形狀,線寬和間距均為15μm,內(nèi)邊長(zhǎng)和外邊長(zhǎng)分別為1.5mm和2.4mm,匝數(shù)為30,雙層結(jié)構(gòu)。
　　 3、提出了一種帶有空氣通道的三明治結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量采集器的新型設(shè)計(jì),主要包括上線圈、永磁體和平面彈簧構(gòu)成的拾振系統(tǒng)和下線圈。

8、三明治結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以把永磁體周圍的磁場(chǎng)充分利用起來(lái)從而顯著提高電性能輸出。硅支撐結(jié)構(gòu)上的空氣通道能夠減小封閉三明治結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的空氣阻尼,有利于提高輸出性能。而且,上線圈也可以對(duì)中間的拾振結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。AnsoftMaxwell軟件仿真結(jié)果表明,相對(duì)于上述提出的單線圈結(jié)構(gòu)的能量采集器,帶有空氣通道的三明治結(jié)構(gòu)可以把輸出電壓提高61％。文中也分析了上下線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的相位差對(duì)總輸出電壓的影響。
　　 4、采用MEMS微

9、加工技術(shù)制作電磁式振動(dòng)能量采集器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。采用微電鍍技術(shù)和絕緣層研磨拋光技術(shù)制作雙層平面線圈結(jié)構(gòu),利用雙面光刻技術(shù)、體硅微加工技術(shù)和微電鍍技術(shù)集成制作硅基平面螺旋型鎳彈簧,最后通過(guò)組封裝技術(shù)形成不同結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī),包括單線圈結(jié)構(gòu)、封閉型三明治結(jié)構(gòu)和帶有空氣通道的三明治結(jié)構(gòu)。
　　 5、利用振動(dòng)激勵(lì)與測(cè)試系統(tǒng)對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)的能量采集器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行全面的性能測(cè)試。對(duì)拾振系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試表明,平面彈簧的彈性系數(shù)為145.6N/m,拾振系

10、統(tǒng)的固有頻率為228.2Hz,給出了測(cè)量值比仿真值略小的因?yàn)椤Ａ硗?測(cè)試表明振源加速度對(duì)永磁體共振振幅和拾振系統(tǒng)的共振頻率有很大影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)試并分析了振源頻率、加速度以及負(fù)載電阻等參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出電壓和輸出功率的影響。根據(jù)測(cè)試,單線圈結(jié)構(gòu)能量采集器樣機(jī)的最佳輸出為:在0.8g加速度、280.9Hz的振動(dòng)激勵(lì)下,負(fù)載兩端的最大輸出電壓為101mV,最大功率為19.5μW。在相同的振動(dòng)激勵(lì)條件下,封閉型三明治結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的最大輸出電壓為1