基于MEMS技术的非线性静电式能量采集器的研究

发布时间：2017-11-12 15:01

  本文关键词：基于MEMS技术的非线性静电式能量采集器的研究

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【摘要】：随着MEMS技术的发展和无线传感器网络功耗的大幅下降,使用MEMS振动能量采集器为其持续供电成为可能。MEMS振动能量采集器具有便携、无污染等优点,可分为压电式、电磁式、静电式三种方式,在综合分析各种方式优缺点的基础上,选择静电式作为研究方向。传统的振动能量采集器主要为线性结构,带宽较窄,输出能量受外界激励频率的影响较大。本文基于非线性理论及碰撞理论设计了两种不同形式的MEMS静电式能量采集器结构：直线运动非线性碰撞结构和平面内转动碰撞结构。并对直线运动碰撞结构进行了详细的仿真和实验,得到其固有频率,带宽,输出功率等在非线性弹簧作用下的特性。本论文将通过下面六章介绍研究的主要内容。第一章主要介绍了振动能量采集的三种不同方式及各自的采集原理,并按此分类介绍了国内外研究现状,最后提出本论文的主要研究内容及研究方法。第二章首先介绍了三种不同结构的静电式能量采集器的工作原理,及其动能转换成电能的方法。然后对设计所需的理论分为三个方面进行了详细阐述。第一方面是非线性理论,主要理解其特征及相应的研究方法。并介绍了分析非线性弹簧的常用方程：达芬方程。掌握达芬方程不同条件下所呈现的不同性质(线性、硬特性、软特性、双稳态特性),并总结其设计方法。第二方面是碰撞结构设计理论：主要阐述了碰撞的特征及碰撞振动的分析方法。第三方面是转动器件设计理论：分析了使器件在平面内转动的稳定性条件,主要介绍了环形梳齿状电容的设计和蛇形弹簧的使用。第三章设计了不同形式的非线性弹簧、蛇形弹簧、碰撞结构及梳齿状电容,并使用ANSYS对各个结构进行了有限元仿真。设计了直线运动非线性碰撞能量采集器及转动碰撞能量采集器两种结构。对两种结构分别进行有限元仿真,得到各自的固有频率。并对直线运动器件的次级结构进行了静力分析和加工孔影响下的模态分析,分别用于确定碰撞点的位置和加工孔对固有频率的影响。通过LTSPICE对直线运动器件的主级结构建立集总模型,并进行了固有频率及输出功率的仿真。第四章简要介绍了器件的加工过程,并先后进行了三次加工。在总结前两次加工失败经验的基础上对设计和加工工艺各自进行了优化,得到了结构完整、可用于测试的器件。第五章介绍了PCB板的设计,测试实验台的搭建,并对直线运动器件的主级结构进行了实验。由实验数据分析得到了器件的固有频率,最佳阻值,电容变化值以及一定条件下的输出电压和输出功率。实验数据与仿真数据进行了比较,并分析了产生误差的原因。第六章对本论文的主要工作做了简单总结,得出了实验结论。并对本论文中存在的问题和不足进行了简要分析,展望了未来研究的方向。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619

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本文编号：1176382