基于MEMS技術的微型電磁式振動能量采集器的研究.pdf

1、集成電路技術的快速發(fā)展正在使各種電子產品不斷地趨向于微型化、無線化和便攜化。同時,超低功率電路設計技術的不斷提高又使得它們的功耗越來越低。因此,醫(yī)學植入、無線傳感網(wǎng)絡、嵌入式傳感器、微機電系統(tǒng)(MEMS)、可穿戴器件等高新技術得以迅猛發(fā)展。但是,隨著研究的不斷深入,如何為這些器件長期有效供電成為進一步推進其應用需要解決的關鍵問題。這類器件通常耗能極低,可低至微瓦級,但在應用過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

2、物體內部,對供能元件的體積、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,存儲能量有限,并且相對傳感器而言體積和質量大；定期更換電池會大幅增加使用成本,同時對于成千上萬個隨機散布在自然環(huán)境中的無線傳感器節(jié)點而言,定期更換電池幾乎不可能實現(xiàn)。另一方面,各種醫(yī)學植入和結構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無法滿足上述新興技術對電源的特殊要求。能量采集技術,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)某種能量轉換方式把采集的能量轉換成電能,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,正受到學術界和產業(yè)界越來越多的關注與重視。
　　 本文圍繞基于MEMS技術的電磁式振動能量采集器開展研究工作。在國內外相關研究工作基礎上,提出一種帶有空氣通道的三明治結構電磁式振動能量采集器的新型設計,主要采用體硅微加工技術和非硅微加工技術制作硅基平面螺旋型鎳彈簧和感應銅線圈結構

4、,通過微組裝形成實驗樣機。最后利用振動激勵與測試系統(tǒng)對實驗樣機進行全面的測試與分析。論文的主要工作如下:
　　 1、建立了電磁式振動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換系統(tǒng)的物理模型。通過求解拾振系統(tǒng)在不同振動條件下的動態(tài)響應,分析阻尼比、振源頻率等對系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性的影響。在能量轉換系統(tǒng)的物理模型中,通過求解系統(tǒng)從外界振動所獲得的能量以及最終轉換得到的電能大小,來分析電功率輸出與輸入振幅、共振頻率、阻尼

5、比等因素的關系。最終建立設計電磁式振動能量采集器應遵循的一般原則,為后續(xù)的工作奠定基礎。
　　 2、提出了一種基于MEMS技術的微型電磁式振動能量采集器的設計方案,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構。采用體硅微加工技術和微電鍍技術集成制作硅基鎳彈簧,既克服了傳統(tǒng)機械加工精度低的缺點,又克服了采用DRIE等硅深刻蝕技術制作硅彈簧的高成本的缺點,同時,可以通過選擇不同厚度的硅基底來控制永磁體和線圈的間隙。

6、針對自然界低頻振動的特點,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計更有利于降低拾振系統(tǒng)的固有頻率。采用ANSYS有限元軟件對拾振系統(tǒng)進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析和諧響應分析,研究平面彈簧彈性臂的寬度、間距、厚度、中間平臺面積、永磁體質量等參數(shù)對拾振系統(tǒng)振動特性的影響。采用Ansoft Maxwell電磁場分析軟件仿真計算永磁體尺寸、線圈尺寸、永磁體線圈間距等參數(shù)對能量轉換系統(tǒng)輸出特性的影響。根據(jù)對拾振系統(tǒng)和能量轉換系統(tǒng)的優(yōu)化結果

7、并結合實際實驗條件,確定最終結構的具體尺寸參數(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2.5×2.5mm2。微線圈的結構參數(shù)為:方形螺旋形狀,線寬和間距均為15μm,內邊長和外邊長分別為1.5mm和2.4mm,匝數(shù)為30,雙層結構。
　　 3、提出了一種帶有空氣通道的三明治結構振動能量采集器的新型設計,主要包括上線圈、永磁體和平面彈簧構成的拾振系統(tǒng)和下線圈。

8、三明治結構的設計可以把永磁體周圍的磁場充分利用起來從而顯著提高電性能輸出。硅支撐結構上的空氣通道能夠減小封閉三明治結構所帶來的空氣阻尼,有利于提高輸出性能。而且,上線圈也可以對中間的拾振結構起到保護作用。AnsoftMaxwell軟件仿真結果表明,相對于上述提出的單線圈結構的能量采集器,帶有空氣通道的三明治結構可以把輸出電壓提高61％。文中也分析了上下線圈產生的感應電動勢之間的相位差對總輸出電壓的影響。
　　 4、采用MEMS微

9、加工技術制作電磁式振動能量采集器實驗樣機。采用微電鍍技術和絕緣層研磨拋光技術制作雙層平面線圈結構,利用雙面光刻技術、體硅微加工技術和微電鍍技術集成制作硅基平面螺旋型鎳彈簧,最后通過組封裝技術形成不同結構的實驗樣機,包括單線圈結構、封閉型三明治結構和帶有空氣通道的三明治結構。
　　 5、利用振動激勵與測試系統(tǒng)對三種不同結構的能量采集器實驗樣機進行全面的性能測試。對拾振系統(tǒng)的振動測試表明,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,給出了測量值比仿真值略小的因為。另外,測試表明振源加速度對永磁體共振振幅和拾振系統(tǒng)的共振頻率有很大影響。實驗測試并分析了振源頻率、加速度以及負載電阻等參數(shù)對實驗樣機輸出電壓和輸出功率的影響。根據(jù)測試,單線圈結構能量采集器樣機的最佳輸出為:在0.8g加速度、280.9Hz的振動激勵下,負載兩端的最大輸出電壓為101mV,最大功率為19.5μW。在相同的振動激勵條件下,封閉型三明治結構實驗樣機的最大輸出電壓為1