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双层悬臂梁压电能量采集器特性研究

邓勇  
【摘要】:随着电子技术、网络技术、通信技术的迅速发展,对集成化电子产品的应用已然成为人们生活中不可或缺的环节,并且在这些电子产品的基本功能以外,人们还非常注重应用时的体验,这种趋势必然会加速产品便携化与智能化发展脚步。对于广泛应用于各类网络或系统中的微型传感器而言,这类器件往往具有体积小、数量大、定位散、维护难等特点,因此对其供能部件提出了很高的要求。利用能量采集技术可以将电子器件工作环境中的各类能量转换为电能,从而实现器件的自供能,使电子器件摆脱体积大、重量大、供能时间有限、回收处理成本高的传统电池的束缚,对电子器件便携化、智能化的发展趋势有着深远影响。目前,能量采集已然成为一个重要的研究方向,吸引了国内外众多科研团体的关注。 在各类能量采集器中,尤其以压电式振动能量采集器的前景最为广阔,其一因为机械振动是一种普遍存在且输出功率密度较大的能量来源,其二因为器件具备结构简单、与MEMS工艺的兼容性较好、输出能量密度大、无需启动电源、便于与电子器件集成等优点。目前较为流行的是单层直线型悬臂梁振动式压电能量采集器,已有一些成熟的产品问世,而对双层悬臂梁器件的研究还停留在模型阶段。除继承了单层器件的优点以外,双层悬臂梁压电器件相比于单层器件,还具备系统刚度大、压电层数量多、节省空间等优势,因此对双层器件的研究工作具有重要的现实意义。 本文旨在研究系统参数对于双层悬臂梁压电能量采集器输出性能的影响,设计、制造了器件模型与夹具,搭建了测试系统对其进行测试,设计了基于ANSYS图形用户界面的器件仿真步骤、编写了APDL程序,通过仿真数据与实测数据的对比形成结论,为将来利用MEMS技术制造微型器件提供了指导性建议。 所制造的器件模型由上下悬臂梁、两个间隔块以及一个质量块组成,上下悬臂梁由支撑层、PZT层、电极与导线组成,整体尺寸为50mm×8mm×0.6mm;用到的间隔块有四种尺寸,分别为18mm×8mm×10mm,12mm×6mm×10mm,9mm×8mm×10mm,7.2mm×10mm×10mm,质量统一为1.4g;用到的三个不同质量块的质量分别为10.5g、6.7g、4.2g。所制造的夹具由中轴、固定上颚、固定下颚、活动螺母、活动螺丝五个部分组成,它的具体作用是对不同厚度的双层悬臂梁振动能量采集器进行上下咬合。器件与夹具的可靠性经过了验证。 在上下悬臂梁间距为4mm、振动加速度为5m/s2的条件下,分别对质量块质量为10.5g、6.7g、4.2g的器件模型进行了测试,结果发现悬臂梁自由端载重越大,器件的谐振频率越低,器件的谐振点电压输出越高;在质量块质量为4.2g、振动加速度为5m/s2的条件下,分别对上下悬臂梁间距为4mm、6mm、8mm、10mm的器件模型进行了测试,结果发现上下悬臂梁间距越大,器件的谐振频率越高,器件的谐振点电压输出越低,上下悬臂梁间距对器件的谐振频率的影响不大,但对器件的谐振点电压输出有较为显著的影响。在整个测试过程中,质量块质量为10.5g、上下悬臂梁间距为4mm的器件模型性能最为优越,其谐振频率为43Hz,在5m/s2的振动加速度条件下电压输出达到11.5V。 使用ANSYS对器件模型进行有限元仿真,通过对仿真结果与实测结果的综合分析,得出了四点结论:量块的质量越大,器件的输出性能越好;上下悬臂梁的间距越小,器件的输出性能越好;压电悬臂梁的长度越大,器件的输出性能越好;器件宽度的变化对器件的输出性能几乎没有影响。这些结论反映出未来器件在MEMS制造过程中的两点关键,即在有限的空间里增加悬臂梁自由端的等效载重,以及减小器件上下悬臂梁之间的间距。 本文不仅展示了能够应用于低频环境的双层悬臂梁压电能量采集器,并且提出了一种针对器件性能研究的系统方法,即物理建模与有限元仿真相结合的方法,该方法具备三大优势:通过该方法,能够在微器件制造之前,对不同系统参数造成的影响以及器件的总体性能做出初步判断,从而减少制造过程中由于选材、选型不当导致的失败;通过该方法,能够有效避免因单方面疏漏而形成错误的结论,从而保证研究的准确性,使研究者少走弯路;通过该方法,能够发现决定器件性能的关键性要素,从而推动微器件制造技术的发展。


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