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基于MEMS技术的微型电磁式振动能量采集器的研究

王佩红  
【摘要】: 集成电路技术的快速发展正在使各种电子产品不断地趋向于微型化、无线化和便携化。同时,超低功率电路设计技术的不断提高又使得它们的功耗越来越低。因此,医学植入、无线传感网络、嵌入式传感器、微机电系统(MEMS)、可穿戴器件等高新技术得以迅猛发展。但是,随着研究的不断深入,如何为这些器件长期有效供电成为进一步推进其应用需要解决的关键问题。这类器件通常耗能极低,可低至微瓦级,但在应用过程中往往是大量散布在环境条件苛刻、人类难以接近的地方或植入被测物体内部,对供能元件的体积、成本、工作条件、寿命等都提出较高的综合要求。目前主要的供电方式是电池和有线电源。电池寿命短,存储能量有限,并且相对传感器而言体积和质量大;定期更换电池会大幅增加使用成本,同时对于成千上万个随机散布在自然环境中的无线传感器节点而言,定期更换电池几乎不可能实现。另一方面,各种医学植入和结构嵌入型微传感器又要求系统脱离电源线和充电器的束缚。传统的供电方式显然已经无法满足上述新兴技术对电源的特殊要求。能量采集技术,能够收集器件周围环境中广泛存在的各种能量并根据某种能量转换方式把采集的能量转换成电能,从而可以代替电池等传统供电方式为上述的各种低功耗电子器件供电,因此,正受到学术界和产业界越来越多的关注与重视。 本文围绕基于MEMS技术的电磁式振动能量采集器开展研究工作。在国内外相关研究工作基础上,提出一种带有空气通道的三明治结构电磁式振动能量采集器的新型设计,主要采用体硅微加工技术和非硅微加工技术制作硅基平面螺旋型镍弹簧和感应铜线圈结构,通过微组装形成实验样机。最后利用振动激励与测试系统对实验样机进行全面的测试与分析。论文的主要工作如下: 1、建立了电磁式振动能量采集器的物理模型,包括拾振系统的物理模型和能量转换系统的物理模型。通过求解拾振系统在不同振动条件下的动态响应,分析阻尼比、振源频率等对系统幅频特性和相频特性的影响。在能量转换系统的物理模型中,通过求解系统从外界振动所获得的能量以及最终转换得到的电能大小,来分析电功率输出与输入振幅、共振频率、阻尼比等因素的关系。最终建立设计电磁式振动能量采集器应遵循的一般原则,为后续的工作奠定基础。 2、提出了一种基于MEMS技术的微型电磁式振动能量采集器的设计方案,主要包括NdFeB永磁体、硅基平面螺旋型镍弹簧和双层铜线圈结构。采用体硅微加工技术和微电镀技术集成制作硅基镍弹簧,既克服了传统机械加工精度低的缺点,又克服了采用DRIE等硅深刻蚀技术制作硅弹簧的高成本的缺点,同时,可以通过选择不同厚度的硅基底来控制永磁体和线圈的间隙。针对自然界低频振动的特点,选择电镀镍材料制作微弹簧以及平面弹簧弹性臂的螺旋型设计更有利于降低拾振系统的固有频率。采用ANSYS有限元软件对拾振系统进行静态分析、模态分析和谐响应分析,研究平面弹簧弹性臂的宽度、间距、厚度、中间平台面积、永磁体质量等参数对拾振系统振动特性的影响。采用Ansoft Maxwell电磁场分析软件仿真计算永磁体尺寸、线圈尺寸、永磁体线圈间距等参数对能量转换系统输出特性的影响。根据对拾振系统和能量转换系统的优化结果并结合实际实验条件,确定最终结构的具体尺寸参数如下:永磁体为2×2×2mm3,电镀镍弹簧弹性臂宽度500μm,弹性臂间距200μm,厚度50μm,弹簧中心平台2.5×2.5mm2。微线圈的结构参数为:方形螺旋形状,线宽和间距均为15μm,内边长和外边长分别为1.5mm和2.4mm,匝数为30,双层结构。 3、提出了一种带有空气通道的三明治结构振动能量采集器的新型设计,主要包括上线圈、永磁体和平面弹簧构成的拾振系统和下线圈。三明治结构的设计可以把永磁体周围的磁场充分利用起来从而显著提高电性能输出。硅支撑结构上的空气通道能够减小封闭三明治结构所带来的空气阻尼,有利于提高输出性能。而且,上线圈也可以对中间的拾振结构起到保护作用。Ansoft Maxwell软件仿真结果表明,相对于上述提出的单线圈结构的能量采集器,带有空气通道的三明治结构可以把输出电压提高61%。文中也分析了上下线圈产生的感应电动势之间的相位差对总输出电压的影响。 4、采用MEMS微加工技术制作电磁式振动能量采集器实验样机。采用微电镀技术和绝缘层研磨抛光技术制作双层平面线圈结构,利用双面光刻技术、体硅微加工技术和微电镀技术集成制作硅基平面螺旋型镍弹簧,最后通过组封装技术形成不同结构的实验样机,包括单线圈结构、封闭型三明治结构和带有空气通道的三明治结构。 5、利用振动激励与测试系统对三种不同结构的能量采集器实验样机进行全面的性能测试。对拾振系统的振动测试表明,平面弹簧的弹性系数为145.6N/m,拾振系统的固有频率为228.2Hz,给出了测量值比仿真值略小的原因。另外,测试表明振源加速度对永磁体共振振幅和拾振系统的共振频率有很大影响。实验测试并分析了振源频率、加速度以及负载电阻等参数对实验样机输出电压和输出功率的影响。根据测试,单线圈结构能量采集器样机的最佳输出为:在0.8g加速度、280.9Hz的振动激励下,负载两端的最大输出电压为101mV,最大功率为19.5μW。在相同的振动激励条件下,封闭型三明治结构实验样机的最大输出电压为125mV,相对于单线圈结构提高了23.8%;带有空气通道的三明治结构实验样机的最大电压和最大功率分别为162.5mV和21.2μW,相对于单线圈结构分别提高了60.8%和8%。从测试结果中可以观测到,弹簧的非线性变形能够增加能量采集器输出电压幅频特性曲线的带宽。因此,可以利用弹簧的非线性振动实现振动能量采集器的宽频带工作,从而为实现能量采集器的宽频工作提供了一种可能的解决方案。


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