微尺度压电振动发电机构动力学分析与微电源设计

发布时间：2017-07-17 00:10

  本文关键词：微尺度压电振动发电机构动力学分析与微电源设计

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【摘要】：微机械加工、微电子以及无线传感等技术的迅速发展,使得射频识别系统、嵌入式系统、无线传感器以及它们形成的无线传感网络广泛地应用于日常生活中。这类微器件的功耗越来越低,能够低至微瓦量级,这就要求相应的供电部件具有体积小、集成度高、寿命长甚至是无人看管、无需更换等特点。传统的化学电池供电方式由于存在体积和质量较大、供能时间有限等缺点,已经无法满足这些微器件的供能要求。基于MEMS技术制备的压电振动发电机构能够与各种微器件集成加工在一起,实现微器件的集成化和自供能,将自然界广泛存在的各种振动能量转换为电能,为微电子器件的持久供电提供一种有效的解决方案。因此,基于微尺度的压电振动发电机构的微电源正受到国内外许多研究小组的关注和重视。本文围绕面向MEMS技术的微压电振动发电装置及其应用展开了研究。在分析国内外研究工作的基础之上,建立了微压电振动发电装置的机电耦合模型,分析了各个结构参数以及尺度效应对系统输出性能的影响,并对仿真结果与实验数据进行了分析讨论。首先,建立了微压电振动发电装置的“弹簧-质量块-阻尼-压电”机电耦合模型,但是“弹簧-质量块-阻尼-压电”机电耦合模型没有考虑尺寸的缩小对系统带来的影响,在此基础之上以偶应力理论为基础,建立了微系统具有尺度效应的理论模型。其次,对微尺度的压电振动发电机构模型进行动态特性分析,分析了结构参数以及尺度效应对系统的影响,推导出了微系统的输出电压表达式,利用MATLAB对系统的输出特性进行了仿真,仿真结果与实验数据对比,对比结果说明了模型的合理性以及局限性。最后,在微压电振动发电机构研究的基础之上,对微电源的结构设计和高效的外围接口电路设计进行了讨论,并对基于微电源应用的自供能微无线传感器进行了案例分析。绘制了微传感系统的电路工作原理图,对其进行了软件仿真,证明了其理论上的可行性。
【关键词】：MEMS 压电振动发电机构 理论模型 尺度效应 微电源
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM31
【目录】：

• 摘要9-10
• Abstract10-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 课题的研究背景和意义12-13
• 1.2 压电式振动发电技术的研究进展13-18
• 1.2.1 冲击式压电振动发电装置13
• 1.2.2 人体活动驱动的压电振动发电装置13-14
• 1.2.3 压电薄膜式振动发电装置14-15
• 1.2.4 悬臂梁式压电振动发电装置15-18
• 1.3 微尺度压电振动发电装置的应用18-19
• 1.4 本文的主要工作19-20
• 第2章 微尺度压电振动发电机构动力学建模20-36
• 2.1 引言20
• 2.2 微压电振动发电机构机电耦合模型20-28
• 2.2.1 微压电振动发电机构的几何模型20-21
• 2.2.2 机电耦合模型的建21-25
• 2.2.3 模型参数的确定25-28
• 2.3 具有尺度效应的微压电发电机构动力学模型28-34
• 2.3.1 一般的偶应力理论28-30
• 2.3.2 基于偶应力理论的微结构动力学模型30-34
• 2.4 本章小结34-36
• 第3章 微尺度压电振动发电机构动态特性理论分析36-58
• 3.1 引言36
• 3.2 “弹簧-质量块-阻尼-压电”机电耦合参数分析36-40
• 3.3 具有尺度效应的微发电机构动力学分析40-50
• 3.3.1 微发电机构自由振动固有频率及尺度效应分析40-44
• 3.3.2 微悬臂梁自由端附加质量块频率方程的确定44-45
• 3.3.3 微压电振动发电机构阻尼分析45-47
• 3.3.4 外加激励微梁偏微分方程的求解47-49
• 3.3.5 微系统输出电压表达式49-50
• 3.4 微压电发电机构输出性能仿真及实验结果对比50-55
• 3.4.1 微压电发电机构输出性能参数仿真50-53
• 3.4.2 仿真结果与实验结果对比分析53-55
• 3.5 本章小节55-58
• 第4章 基于微尺度压电振动发电机构的微电源设计58-76
• 4.1 引言58
• 4.2 微电源结构设计计算58-60
• 4.3 高效外围接口电路设计60-67
• 4.3.1 经典外围接口电路60-63
• 4.3.2 无源峰值监测开关电路63-67
• 4.4 基于微电源应用的自供能微无线传感器设计案例分析67-74
• 4.4.1 信号处理理论基础67-69
• 4.4.2 A/D转换器的选择及转换流程69-71
• 4.4.3 自供能微无线传感器工作原理71-74
• 4.5 本章小节74-76
• 第5章 总结与展望76-78
• 5.1 总结76-77
• 5.2 展望77-78
• 参考文献78-84
• 攻读硕士学位期间发表的论文84-86
• 致谢86-87
• 附件87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 干东英;微电子机械系统研究的新动向[J];机械设计与研究;1997年01期

2 丁建宁,孟永刚,温诗铸;多晶硅微电子机械构件材料强度尺寸效应研究[J];机械强度;2001年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 方华斌;基于MEMS技术的压电能量采集器研究[D];上海交通大学;2007年

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本文编号：551135