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基于双极性驻极体的微振动能量采集器研究

李岳峰  
【摘要】:随着微机电系统(MEMS)技术的快速发展,MEMS传感器被广泛的应用于大型桥梁或建筑的安全监控、动物跟踪、无线遥感监测等领域,并向低功耗、便携、自供能等方向发展。然而,相对滞后的微能源技术制约着MEMS传感器的发展。通过收集周围环境中的各种能源(如机械振动能、太阳能、热能等)实现自供能,构建“自驱动系统”,使得分布式的传感器能够无源、持续、免维护地运行成为当前研究的热点。基于驻极体的微振动能量采集器是自驱动系统微能源领域研究的一个重要方向。驻极体(electret)又名“永电体”,是一种能够长期储存空间电荷与偶极电荷并具有持久保持电极化强度的电介质材料。静电效应是其具有的基本物理效应。基于驻极体的微振动能量采集器正是利用其静电效应在驻极体与电极之间构建可变电容,通过外界激励改变电容量实现振动能向电能的转换。当前驻极体能量采集器的研究主要集中在驻极体材料性能与极化方法、微振动能采集方式、能量采集效率三个方面。在采集器的结构中,一般采用在驻极体材料一面镀电极的方式,没有利用驻极体材料正反两面呈现双极性的特点,因而能量转换效率较低。本文采用具有优异电荷存储性能的FEP/THV/FEP三明治型复合驻极体薄膜为对象,系统研究了该材料的双极性分布特性、以及电荷存储的稳定性和均匀性。在此基础上,提出了基于双极性驻极体的双间隙能量采集系统。通过对采集系统工作原理的理论分析,设计制备了非谐振式和谐振式两种振动能量采集器。通过对能量采集器输出特性的测量分析,研究了影响振动能量采集器输出功率的因素。所取得的主要结论如下:(1)通过高温热压工艺,将非极性材料FEP与极性材料THV复合,制备得到了三明治型复合膜材料FEP/THV/FEP;通过“电晕极化/热极化/电晕极化”的混合极化方法对复合膜进行注极,制备得到了双极性复合驻极体膜。经过200h的稳定性跟踪测试表明,驻极体薄膜呈现稳定的双极性特点,上下表面平均电位分别为-1230V和910V,表面电荷密度分别为σ1=-3.69mC/m2、σ2=2.74mC/m2。显示出了优异的电荷存储的稳定性。(2)通过自行搭建的二维表面电位分布测量平台,首次跟踪测试了三次极化后的三明治型复合膜材料FEP/THV/FEP表面电位分布的变化情况,得到了极化10.5h及200h后4cm×4cm面积样品的表面电位分布图。结果表明:极化10.5h时后,样品表面电位集中在核心区域,表面电位分布均匀,且保持较高的电位;存放200h后,样品表面电位向周围扩散,分布均匀。上下表面电场极性相反,电位变化规律相同。(3)设计了基于双极性驻极体的双空气间隙非谐振振动能量采集器。采集器中,双极性驻极体薄膜被放置在上下两电极中间,在上下电极与驻极体膜之间存在两层空气间隙,等效为两个可变电容串联。基于此结构,建立了数学理论模型,推导得到了输出电压和电流的表达式。得出了输出电压遵循正弦波特性、输出电流遵循余弦波特性的结论。(4)通过自行设计的测试平台,测试了基于双极性驻极体的双空气间隙非谐振振动能量采集器的输出特性,结果表明,输出波特性与理论推导一致,呈现交流波行为。输出行为经二极管整流后,交流输出信号负相位部分转换成正相位,并且振幅扩大,振动周期加倍。与单气隙采集器相比,在低频条件下,能量输出效率显著提高。对基于此能量采集结构设计制备的电子名片的测试表明,用手指单次触碰采集器就可点亮液晶屏幕(LCD),显示了良好的灵敏性。(5)采用在上下电极和驻极体膜之间嵌入微弹簧的方式,制备了谐振式能量采集器。通过对能量采集器的输出特性测量分析表明,输出电流、电压及功率在测量频率域30HZ~200HZ内呈现单峰对称分布,输出功率与振动幅度呈现正相关性;随驻极体膜表面电位的增大,最大输出功率增加,最佳振动频率向高频方向移动;随驻极体膜振动面积的增大,输出功率增加,最佳振动频率向低频方向移动;根据对振动驱动力与输出功率相关性实验结果的曲线拟合表明,随振动驱动力的增加,输出功率呈现类指数式增涨,当振动驱动力为0.5N时,输出功率为14.1μW,当F=2N时,输出功率高达11.12mW。由上述工作可得出,基于双极性驻极体的双气隙能量采集系统具有输出功率高、灵敏度好、制作简单等优点。本论文的工作,将会有力地促进驻极体能量采集器研究的发展,加快微振动能量采集器在“自驱动系统”中的应用进程。


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