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引信微机电气动换能器设计及性能数值分析

卢西山  
【摘要】:微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)技术作为科学研究的热点,目前广泛应用于各行各业中。射流发电机是新型的引信物理电源,其内部的换能器作为主要的产能部件对引信电源乃至引信系统能否正常发挥功效都起到了非常重要的作用。 以射流发电机电磁换能器作为参考,结合压电悬臂梁结构和MEMS工艺,设计出一种新型的引信压电式气动换能器。 本文提出了三种初始的换能器结构,利用FLUENT和ANSYS软件分别对其在6262.8Pa(0.3Ma风速对应的气流压力)作用下进行流体和静力学仿真分析,比较各结构中压电振子的振动效果,在此基础上对结构进行改进和优化,同时对压电振子进行结构外形设计。最终确定的换能器结构体积为3mm×1.5mm×lmm。 对改进后的换能器结构经过仿真得到各压电振子的振幅分别为18.3μm、14.4μm、12.1μm和9.8gm,产生的瞬时电压分别为8.59V、5.418V、4.095V、3.691V。通过电能换算得出各压电振子的最大输出功率分别为:11.4μW、6.39μW、3.75μW、2.75μW,换能器的比功率为1.22×103W/m3,说明在单位体积内换能器的转换效率较高。 采用MEMS技术开展了换能器加工工艺设计,其加工工艺包括体硅微加工、离子深刻蚀、键合技术等,通过键合使多个换能器连接在一起形成总体结构,从而提高整个装置的发电性能。


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