新型电容式微型振动能量采集器的结构设计与研究

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1、扬州大学硕士学位论文新型电容式微型振动能量采集器的结构设计与研究(申请硕士学位)顾卿赞指导教师：姜世杭副教授扬州大学中华人民共和国，扬州2013年5月顾卿赞新型电容式微型振动能量采集器的结构设计与研究I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．MechanicalSystems)T艺有着更

2、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。论文的主要内容包括：1、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

3、电容式振动能量采集器的设计拓扑。2、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。3、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1g和100Hz的振动频率下，经

4、过计算，它能产生39．4uW的能量。4、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。关键词：电容式能量采集器；MEMS工艺；有限元分析；驻极体II扬州大学硕士学位论文顾卿赞新型电容式微型振动能量采集器的结构设计与研究IIIABSTRACTEnergyharvestingtechnologyisahigh—techdevelopmentbasedonthesemiconductorfield，thiste

5、chnologycantakeadvantageofthesurroundingenvironmenttocollectenergysuchassunlight，wind，tides，vibration，SOastosolvethebottleneckofthewirelesssensornetworksintheenergyself-sufficiency．Bythemechanicalvibrationalenergyisconvertedintoelectricalenergytechnologyhasbeenwid

6、elystudied，capacitivevibrationalenergyharvesterandMEMS(micro-electromechanicalsystemMicro-Electro-MechanicalSystems)technology,however,hasabettercompatibility,andthereforehasbetterdevelopmentprospectsaswell．Capacitivevibrationalenergyharvesterthroughachangeincapac

7、itancecausedbythechangeinvoltageorelectricquantity,throughtheload，thecurrentisgenerated，andthenthevibrationenergyisconvertedintoelectricalenergy．Theharvesterhasthecharacteristicofsimplestructure，convenientprocessing，withoutharmfulgasemissions，whichisanewkindofener

8、gyconservationandenvironmentalprotectiondevices．However,theproblemsofhowtosimplifyingthestructureofcapacitiveenergyharvester,andmakingitsstructuremoreso