基于MEMS技術(shù)的非線性靜電式能量采集器的研究.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗的大幅下降，使用MEMS振動(dòng)能量采集器為其持續(xù)供電成為可能。MEMS振動(dòng)能量采集器具有便攜、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，可分為壓電式、電磁式、靜電式三種方式，在綜合分析各種方式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選擇靜電式作為研究方向。
　　傳統(tǒng)的振動(dòng)能量采集器主要為線性結(jié)構(gòu)，帶寬較窄，輸出能量受外界激勵(lì)頻率的影響較大。本文基于非線性理論及碰撞理論設(shè)計(jì)了兩種不同形式的MEMS靜電式能量采集器結(jié)構(gòu):直線運(yùn)動(dòng)非線性碰撞結(jié)構(gòu)和平

2、面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)碰撞結(jié)構(gòu)。并對(duì)直線運(yùn)動(dòng)碰撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的仿真和實(shí)驗(yàn)，得到其固有頻率，帶寬，輸出功率等在非線性彈簧作用下的特性。
　　本論文將通過(guò)下面六章介紹研究的主要內(nèi)容。
　　第一章主要介紹了振動(dòng)能量采集的三種不同方式及各自的采集原理，并按此分類介紹了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后提出本論文的主要研究?jī)?nèi)容及研究方法。
　　第二章首先介紹了三種不同結(jié)構(gòu)的靜電式能量采集器的工作原理，及其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的方法。然后對(duì)設(shè)計(jì)所需的理論分為三個(gè)

3、方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。第一方面是非線性理論，主要理解其特征及相應(yīng)的研究方法。并介紹了分析非線性彈簧的常用方程:達(dá)芬方程。掌握達(dá)芬方程不同條件下所呈現(xiàn)的不同性質(zhì)（線性、硬特性、軟特性、雙穩(wěn)態(tài)特性），并總結(jié)其設(shè)計(jì)方法。第二方面是碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論:主要闡述了碰撞的特征及碰撞振動(dòng)的分析方法。第三方面是轉(zhuǎn)動(dòng)器件設(shè)計(jì)理論:分析了使器件在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性條件，主要介紹了環(huán)形梳齒狀電容的設(shè)計(jì)和蛇形彈簧的使用。
　　第三章設(shè)計(jì)了不同形式的非線性彈簧

4、、蛇形彈簧、碰撞結(jié)構(gòu)及梳齒狀電容，并使用ANSYS對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真。設(shè)計(jì)了直線運(yùn)動(dòng)非線性碰撞能量采集器及轉(zhuǎn)動(dòng)碰撞能量采集器兩種結(jié)構(gòu)。對(duì)兩種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行有限元仿真，得到各自的固有頻率。并對(duì)直線運(yùn)動(dòng)器件的次級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析和加工孔影響下的模態(tài)分析，分別用于確定碰撞點(diǎn)的位置和加工孔對(duì)固有頻率的影響。通過(guò)LTSPICE對(duì)直線運(yùn)動(dòng)器件的主級(jí)結(jié)構(gòu)建立集總模型，并進(jìn)行了固有頻率及輸出功率的仿真。
　　第四章簡(jiǎn)要介紹了器件的加工過(guò)程

5、，并先后進(jìn)行了三次加工。在總結(jié)前兩次加工失敗經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)和加工工藝各自進(jìn)行了優(yōu)化，得到了結(jié)構(gòu)完整、可用于測(cè)試的器件。
　　第五章介紹了PCB板的設(shè)計(jì)，測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建，并對(duì)直線運(yùn)動(dòng)器件的主級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到了器件的固有頻率，最佳阻值，電容變化值以及一定條件下的輸出電壓和輸出功率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，并分析了產(chǎn)生誤差的原因。
　　第六章對(duì)本論文的主要工作做了簡(jiǎn)單總結(jié)，得出了實(shí)驗(yàn)結(jié)論。并對(duì)本論文