基于壓電-電磁機理的微型復合振動能量收集器關鍵技術.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、基于環(huán)境振動能的微型振動能量收集器已成為解決各種超低功耗微電子器件與系統(tǒng)微電源的使能技術,如何進一步提高微型能量收集器輸出功率,是近年來的研究熱點,論文將開展基于壓電-電磁機理的微型復合振動能量收集器關鍵技術研究,具有重要的科學意義和需求背景。
  論文針對微型振動能量收集器存在輸出功率和輸出電壓低難以滿足應用需求的問題,提出了一種共用帶永磁體質量塊的MEMS壓電懸臂梁陣列和感應線圈構成的壓電-電磁微型復合振動能量收集器新結構;分

2、析了基于壓電-電磁機理的微型復合振動能量收集器的結構和工作原理,基于壓電懸臂梁集總參數模型和法拉第電磁感應定律對壓電轉換部分和電磁轉換部分進行了理論分析,確定了MEMS壓電懸臂梁陣列和感應線圈的主要結構參數,完成了微型復合振動能量收集器結構的優(yōu)化設計;基于PZT薄膜制備方法和MEMS工藝制定了MEMS壓電懸臂梁陣列加工工藝流程;基于印刷電路板技術研制出感應線圈樣品;設計了微型復合振動能量收集器的封裝管殼,成功研制出原理樣機。制定了測試方

3、案,并搭建了測試平臺,完成了原理樣機的性能測試與分析。測試結果表明:在0.3g加速度、56.4Hz的振動激勵下,樣機的最大總輸出功率達55.57μW;論文提出的MEMS壓電懸臂梁陣列結構顯著的提高了輸出電壓;壓電-電磁復合轉換機理有效的提高了輸出功率。
  論文主要工作是:
  ①分析了微型振動能量收集技術的國內外研究現狀以及存在的科學與技術問題,確定了論文的研究目標和研究內容;
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4、出功率和輸出電壓低難以滿足應用需求的問題,提出了一種帶共用永磁體質量塊的MEMS壓電懸臂梁陣列和感應線圈(感應線圈放置在永磁體上下方)構成的,基于壓電-電磁機理的微型復合振動能量收集器的新結構;基于壓電懸臂梁集總參數模型和法拉第電磁感應定律對壓電轉換部分和電磁轉換部分進行了理論分析,分析了影響微型復合振動能量收集器輸出性能的主要因素;
  ③基于ANSYS和Maxwell3D軟件,進行了微型復合振動能量收集器結構參數的優(yōu)化,完成了

5、壓電懸臂梁的梁長與梁厚、永磁體尺寸、感應線圈的線寬與厚度以及永磁體與線圈的靜態(tài)間距等參數的優(yōu)化,確立了基于壓電-電磁機理的微型復合振動能量收集器的結構參數;
 ?、苎芯苛薖ZT薄膜制備方法,制定了MEMS壓電懸臂梁陣列的加工工藝流程;設計制作了多層低內阻感應線圈;完成了微型復合振動能量收集器封裝管殼的設計與制備,研制出了基于壓電-電磁機理的微型復合振動能量收集器原理樣機;
  ⑤研究了基于壓電-電磁機理的微型復合振動能量收集

6、器測試方法;搭建了微型振動能量收集器測試平臺,完成了樣機在不同工作狀態(tài)下輸出性能的測試與分析。測試結果表明:研制出的樣機在0.3g加速度、56.4Hz的振動激勵下,外接最優(yōu)化負載時,MEMS壓電懸臂梁陣列的負載電壓為3245mV,輸出功率為33.97μW;上線圈的負載電壓為46.7mV,輸出功率為7.52μW;下線圈的負載電壓為65mV,輸出功率為14.08μW,總輸出功率達55.57μW。實驗結果表明,該結構有效的提高了輸出功率和輸出

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