新型电容式微型振动能量采集器的结构设计与研究

摘要

能量收集技术是依据半导体领域发展起来的高新技术，这项技术可以利用周围的环境如阳光、风力、潮汐、振动等来采集能量，从而解决无线电传感网在能源自给上的瓶颈。由机械振动能转化成电能的技术已经得到了广泛的研究，然而电容式振动能量采集器与MEMS(微机电系统Micro-Electro-Mechanical Systems)工艺有着更好的兼容性，因此具有更好的发展前景。电容式振动能量采集器通过电容量的改变，由此引起电压或者电量的改变，通过负载，形成电流，将振动能转化成电能，其结构简单，加工方便，无有害气体排放，是一种新型的节能环保装置。但是如何简化电容式能量采集器的结构，并且让其结构更为坚固可靠，一直是研究人员需要解决的问题。论文设计了一台新型电容式微型振动能量采集器，并从理论和加工工艺两方面进行了论证，为以后进一步的研究提供理论基础和实验经验。
　　本研究主要内容包括：⑴介绍了目前几种能量采集系统，分析了电容式振动能量转化机制，确立了能量转化方程。介绍了电容式振动能量采集器的设计拓扑。⑵建立了电容式能量采集装置的理论模型，对其谐振特性和等效电路进行了分析，对该装置采集的能量进行理论的计算。⑶采用聚二甲硅氧烷(PDMS)作为采集器的弹性材料，这种材料具有高弹性，在元器件振动过程中，能使上下两极板产生不同方向上的相对位移。相比较以前所用硅梁作为弹簧，聚二甲硅氧烷具有更好的弹性结构，使得微型能量采集器更加坚固。由于在电极板上沉积了由氧化硅材料制成的驻极体，并且在弹性材料黏结之前对电极板附上了电荷，所以能够使得驻极体上获得比较高的电势。在加速度1 g和100 Hz的振动频率下，经过计算，它能产生39.4μW的能量。⑷使用通用有限元软件ANSYS作为分析工具，对其结构进行分析。模拟计算出PDMS弹性块经加载后的变形量，从而与理论计算结果对比，为以后进一步进行模型的分析模拟提供参考。