非谐振式MEMS能量收集器研究

论文总字数：26479字

摘 要

随着微加工技术以及MEMS工艺的发展，无线传感网络中节点的数量呈指数型上升，各节点设备的体积也再不断减小，这对为其供能的电源提出了更高的要求。能量收集技术的出现使得不依赖电池的自供电设备成为了可能。

以往，电磁式振动能量收集器大多采用悬臂梁结构，这就要求它们需工作在悬臂梁的共振频率处才有最大的输出功率。本论文在探究了各类电磁式振动能量收集器的基础上提出了非谐振式电磁振动能量收集器，其采用可移动磁性小球作为永磁体，克服了悬臂梁结构带来的工作频率的限制，实现了三维方向上的能量收集，大大提高了能量的收集效率。

在论文中，利用PCB技术设计并制作负责能量转换的电感线圈部分和负载电路，对不同结构的非谐振式能量收集器，在不同的加速度下测试不同负载两端的电压峰峰值，并得出负载上的功率。

结果表明当负载等于能量收集器内阻时，负载上有最大的输出功率。在加速度为0.1g的条件下，双板单层结构的能量收集器可以输出最大为17.71μW的功率，该值是单板单层结构能量收集器最大输出功率的4.36倍。与一些要求工作在共振频率处的电磁式振动能量收集器相比，非谐振式电磁振动能量收集器有着较好的输出功率，能量收集的效果良好。

关键词：能量收集，共振频率，非谐振，内阻，输出功率

Abstract

With the development of micro-fabrication technology and MEMS technology, the number of nodes in the wireless sensor network has increased exponentially, and the volume of each equipment has been continuously decreasing, which means higher requirements for power supply. The energy harvesting technology has made it possible to use self-powered devices that do not rely on batteries.

In the past, electromagnetic vibration energy harvesters mostly used cantilever structures, which required them to work at the resonant frequency of the cantilever beam to have maximum output power. In this dissertation, a non-resonant electromagnetic vibration energy harvester was proposed based on the investigation of various types of electromagnetic vibration energy harvesters. It uses a movable magnetic ball as a permanent magnet, which overcomes the limitation of the working frequency brought by the cantilever beam structure. The energy collection in the three-dimensional direction is realized, and the energy collection efficiency is greatly improved.

In the paper, PCB technology is used to design inductors and load circuits that are used to convert energy. For non-resonant energy collectors with different structures, the peak-to-peak voltages at different resistance of load are tested under different accelerations, and the power of load can be got from the number of those peak-to-peak voltages.

The results show that when the load is equal to the internal resistance of the energy collector, there is maximum output power on the load. Under the condition of an acceleration of 0.1g, the energy collector of the double-plate single-layer structure can output a maximum power of 17.71 μW, which is 4.36 times the maximum output power of the energy harvester whose structure is single-layer single-layer. Compared with electromagnetic vibration energy harvesters that require working at resonance frequencies, non-resonant electromagnetic vibration energy harvesters have better output power and better energy collection.

KEY WORDS: energy harvesting, resonant frequency, non-resonance, internal resistance, output power

目 录

摘要……………………………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract……………………………………………………………………………………………………… Ⅱ

1. 绪论…………………………………………………………………………………………………1

1.1 课题研究的背景及意义………………………………………………………………………1

1.2 微能源……………………………………………………………………………………………2

1.2.1 微型电池………………………………………………………………………………2

1.2.2 能量收集………………………………………………………………………………2

1.3 电磁式振动能量收集器国内外研究现状…………………………………………………4

1.4 电磁式振动能量收集器发展趋势…………………………………………………………6

1.5 本文研究内容及章节安排……………………………………………………………………6

1. 能量收集装置的原理……………………………………………………………………………7

2.1 引言………………………………………………………………………………………………7

2.2 能量收集系统…………………………………………………………………………………7

2.3 电磁式发电的基础理论………………………………………………………………………7

2.3.1 基本原理………………………………………………………………………………7

2.3.2 电磁式振动能量收集器的分类…………………………………………………7

2.4 储能方式…………………………………………………………………………………………9

2.5 本章小结…………………………………………………………………………………………9

1. 非谐振式电磁振动能量收集器的设计………………………………………………………10

3.1 引言……………………………………………………………………………………………10

3.2 电感线圈的设计………………………………………………………………………………10

3.3 负载模块的设计………………………………………………………………………………12

3.4 永磁体的选择…………………………………………………………………………………14

3.5 本章小结………………………………………………………………………………………14

1. 非谐振式电磁振动能量收集器的实验测试………………………………………………15

4.1 引言……………………………………………………………………………………………15

4.2 测试系统的搭建………………………………………………………………………………15

4.2.1 实验原理……………………………………………………………………………15

4.2.2 实验步骤……………………………………………………………………………15

4.2.3 实验平台的搭建……………………………………………………………………16

4.3 实验数据与分析………………………………………………………………………………17

4.3.1 实验数据……………………………………………………………………………17

4.3.2 实验结果分析………………………………………………………………………19

4.4 本章小结………………………………………………………………………………………23

1. 总结与展望………………………………………………………………………………………24

5.1 总结……………………………………………………………………………………………24

5.2 展望……………………………………………………………………………………………24

致谢……………………………………………………………………………………………………………26

参考文献……………………………………………………………………………………………………27

1. 绪论

1.1课题研究的背景及意义

近年来，随着微电子技术的持续进步，集成化与微型化的电子产品不断在人们的生活中涌现。其中以爱立信公司创制的蓝牙技术（Bluetooth）和以IEEE 802.15.4为代表的低功耗通讯标准协议的出现促使着电子产品朝着无线化和便携化这一方向继续发展。得益于电子产品发展的方向，一大批与之相关的高新科技诸如无线传感网络(Wireless Sensor Networks，WSN)、嵌入式系统、射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)和各类嵌入式MEMS传感器等技术正处于蓬勃发展的阶段^[1]，它们在生物医疗、灾害管理、基础设施监控、安防视频监控、智能交通与物流管理、甚至在军事国防等领域都得到了大量的应用，这些技术极大地丰富了人们的生活，也方便了人们的工作^[2]。以无线传感网络为例，该技术最初的构想来自于美国军方，他们于1978年首次提出无线传感网络并将其定为电子信息领域新一代的发展方向。从那以后，不仅仅是在美国本土境内，该技术同时在全球范围内得到了广泛而又快速地展开。与此同时，在新技术军转民的大潮中，民用领域内也遍布了无线传感网络的应用与发展。例如，在环境应用中，该技术可以用于森林火灾以及洪水的预防与检测；在医疗应用中，该技术可用于人体特定生理数据的监测以及医生对于药品的精确使用与管理；在家庭及商务应用中，该技术可用于对于相关环境的智能化管理。根据《传感器行业“十三五”市场前瞻与发展规划分析报告》显示，仅在工业领域，2014年中国工业无线传感器网络产品在工业传感器市场中的规模已达到6亿2000万元。预计到2019年，中国工业无线传感器网络产品的市场规模将达到24.2亿元，在工业传感器的市场中占比将达到10.0%，年复合增长率高达27.1%。由此可见，无线传感网络技术无论是对哪个行业都有着巨大经济效益。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：26479字