MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计

在单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,提出了一种MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件。该微能源由八悬臂梁-中心质量块结构和永磁铁两部分组成,环境振动使中心质量块振动,PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差;同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势,将压电转换与磁电转换相结合把振动能转换为电能。建立了该结构的数学模型并用有限分析软件Ansys12.0对该器件进行力学特性分析,最后对加工出的微能源进行性能测试。测试结果表明,该微能源谐振频率为8 Hz,易与环境发生共振;在共振条件下,施加1 gn 的加速度,器件压电发电开路输出电压峰峰值达154 mV,磁电发电开路输出电压峰-峰值达8 mV,有望为无线传感网络节点提供稳定的能源。     

井下微能量收集装置设计

井下无线传感节点能量有限,可利用能量收集技术将井下环境能量转换为电能为传感节点供电,从而延长无线传感节点生命周期。测试并分析了井下巷道弱光环境下光照强度,结果表明距光源1～2m范围内,光照强度为50～170Lux,符合非晶硅、钙钛矿等光电材料工作范围,因此将井下弱光能量转换为电能具有可行性。采用30cm×40cm非晶硅光伏电池板、BQ25505型电源管理芯片和锂电池设计了一种井下微能量收集装置,可将井下弱光能量转换为电能并存储。针对井下环境能量不连续的特点,设计了能量缓存机制,即采用容量较小的可充电锂电池为能量缓存电池,选用较大固定容量的锂电池为备用电池,当可充电锂电池电压达到设计值时由其供电,当电压不足时切换备用电池供电,确保无线传感节点正常工作。对微能量收集装置进行了实验室及井下测试,结果表明:装置在50Lux以上光照强度条件下即可输出毫瓦级电能;当井下光照强度达到170Lux以上时,装置能够利用转换的能量为低功耗无线传感节点供电,无需启用后备电池;当光照强度未达到170Lux时,能量缓存机制协调可充电锂电池和备用电池为无线传感节点供电,有效提高了节点生命周期。     

振动能量收集电源电路设计

利用凌力尔特推出的电源集成芯片LTC3588-2,设计出适用振动能量收集的高集成度电源电路。根据压电材料能量收集器特性,建立了以理想电流源为基础的电路模型,用于电路仿真。通过调节收集器自身的振动频率,以及使用具备微弱泄漏电流特点的电容,使振动能量到电能的转换效率最大化。测试结果表明,该电源可以断续输出5 V的稳定电压,为低功耗、短工作时间的无线传感器设备供电。     

基于八悬臂梁-中心质量块结构MEMS压电振动能量采集器

高能量密度输出、低频范围响应、环境适应性强的自供电振动能量采集器已成为微能源技术领域的一个重要发展方向。提出一种d31型工作模式下MEMS压电式振动能量采集器,设计八悬臂梁-中心质量块结构代替传统的单悬臂梁结构,利用溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术在每个悬臂梁上异质集成制备锆钛酸铅（Pb（Zr0.53Ti0.47）O3,PZT）压电功能厚膜层,通过MEMS工艺和引线键合技术完成器件础结构制造。输出性能测试结果表明,器件一阶谐振频率为41 Hz,3 gn加速度激励下输出电压峰峰值为264.00 mV;在器件两端加载3.00 MΩ负载时输出功率最大,为0.72 nW。     

升压型DC/DC MAX756应用研究

针对无线传感器网络节点的供电问题,应用升压型DC/DC MAX756设计了具有输出电压选择与电池监视功能的无线传感网络节点供电单元。给出了供电单元的原理图设计与印制电路板的设计要点;得到了供电单元的转换效率与输入电压的关系,转换效率随输入电压升高而升高,随输出电流的增大而增大;测试了供电单元的负载瞬态响应能力。结果显示,负载发生突变时输出电压有较大噪声,说明电源的滤波设计需要改进。     

基于MEMS的压电微能量采集器的电路研究与测试

微能量采集技术是利用某种效应把周围环境中的某种形式的能量转换成电能,为嵌入式系统和无线传感网络中的MEMS器件供能。本文探讨了一种基于MEMS技术的压电型微能量采集器。微能量采集器工作于低频环境,当给其振动激励信号时,它能够把机械能转换为电能。但是能量采集器直接输出的是交流电压,一般不能直接为器件供能。所以,利用AC-DC电路把交流转换为直流,实现为MEMS器件供能。文中给出了微能量采集器的测试电路,同时给出了测试结果,论证了在低频环境下这种微能量采集器的可行性。     

基于振动能量采集器的无源无线传感节点技术研究

随着以MEMS技术为依托,结合压电效应的振动能量采集技术的日臻完善,如何利用振动能量采集器构成高效的无源无线传感节点成为近期研究热点,而能量采集器输出的电能储存控制和低功耗发射技术是实现该节点的难点。在设计出对储能电容电压具有双阈值检测与控制功能的低功耗电路基础上,给出了一种自报警、无源无线低功耗传感节点。实验表明,在频率52 Hz正弦振动、振动加速度幅值为5 gn激励下,经过125 s的能量储存,节点能够以+10 dBm功率在16 ms内完成发射及无线报警,发射距离可达1.31 km。该节点构成的无线传感网络可广泛应用于石油管线、桥梁和军事侦察等外部供电极度受限环境的现场监控等用途。     

一种基于压电效应的振动能量收集电路

为了收集环境中的振动能量,实现传感器等低能耗器件的自供能,设计了一种可收集环境中低频机械振动能量的发电电能收集电路,通过三倍压电路将压电晶体产生的交流电压进行倍压放大,利用LTC3588-1电源管理芯片中的低噪声全波整流及高效降压转换器进行变换,获得可为传感器等低能耗器件供电的直流电压。分析与实验表明,设计的振动能量收集电路可为传感器等器件提供电能,实现微弱电能的收集。     

桥梁监测无线传感压电电源

提出了一种桥梁无线传感压电陶瓷电源,分析了压电陶瓷电源的能量计算,制作了压电陶瓷电源的模型并进行了加速度(载荷)的测试实验。得到了该电源在不同加速度(载荷)下的能量输出,输出电能与载荷脉冲作用速度的关系。研究结果表明压电陶瓷电源满足桥梁无线传感能量供应的要求。     

水质监测无线传感器网络节点双电源设计

针对电池供电的传感器网络节点电能受限问题,设计实现了一种新型的结合太阳能电池和锂电池供电的节点双电源供电系统。设计采用IAP15F2K612S2低功耗芯片和太阳能板、锂电池;通过软件优化节点供电,采用BQ24650电源管理芯片实现对锂电池的充电控制,以单片机IAP15F2K612S2为微处理器,监测锂电池的电压放电情况,放电控制电路经过DC/DC转换模块向负载供电。测试结果显示：采用双电源供电的节点工作周期长于单电源节点,且系统能稳定输出水质监测节点需要±12,±5,3.3 V的电压要求,实现了预期设计目标。     

供能于无线传感器网络的微型振动发电机结构性能研究

应用微机电加工技术制造的振动发电机可以无限、持续地为无线传感器网络提供能源。为了提高发电能力,通过有限元仿真与实验分析了单压电片型式、双压电片并联型式和双压电片串联型式振动发电机的结构参数对发电能力的影响规律。结果表明,厚度比小的双压电片串联型式发电机输出开路电压较高;存在某一最优负载,在给定的激励频率下,使得输出功率最大;相同材料、结构参数下,双压电片串联和双压电片并联型式发电机的输出功率基本相同且高于单压电片型式发电机。     

微型之字形压电式能量收集器输出电压的建模和仿真

为了有效解决无线传感器网络节点的供电难题,提出之字形结构的微型压电式能量收集器。相比于传统的直悬臂梁,此结构等效加大了压电梁的长度,降低了系统的固有振动频率。建立了之字形压电梁的本构方程和受迫振动方程,推导得到其输出电压的频域表达式。基于之字形压电梁的结构,利用ANSYS软件对其进行了谐响应分析。仿真结果表明,压电梁的输出电压在各阶固有振动频率处存在极值,符合理论分析的结果;输出电压大小随压电梁长度增加而降低,随压电梁宽度增加而升高,但均为非线性关系;压电梁末端质量块的长度和厚度、基体层厚度减小时,会导致输出电压的增大。在论文中所提出的结构尺寸下,10根直梁构成的之字形结构压电梁,在其一阶固有振动频率处,输出电压可达10 V以上,符合无线传感器网络节点的实际供电需求,证明了之字形压电梁结构的有效性。     

（中国微米纳米83012）混合能量存储技术在光电微能源中的应用研究

摘要：为简化集成无线传感器节点光电微能源系统的设计和提高能量转换、存储效率,提出混合能量存储技术在光电微能源系统设计中的应用。混合能量存储器由电容器和锂离子电池组成。同时,介绍了能量存储的原理和分析了混合能量存储结构的负载特性。另外,开展实验研究,结果表明,与直接能量存储方式相比,利用混合能量存储技术能量存储量提高27%。并且,微能源的负载特性也得到改善,实验结果与理论结果一致。     

混合能量存储技术在光电微能源中的应用研究

为简化集成无线传感器节点光电微能源系统的设计和提高能量转换、存储效率,提出混合能量存储技术在光电微能源系统设计中的应用.混合能量存储器由电容器和锂离子电池组成.其能量存储原理负载特性被分析.另外,开展实验研究,结果表明,与直接能量存储方式相比,利用混合能量存储技术能量存储量提高27%.并且,微能源的负载特性也得到改善,实验结果与理论结果一致.     

压电式双振子微型发电机功率调节电路设计

为克服压电式单振子微型发电机通过一般整流、滤波和储能控制电路不能连续为瞬时发射功率较大的无线传感器网络发射模块供电的问题,提出了一种双振子振动发电的结构思想,介绍了双振子振动发电原理;提出了一种双振子微型发电机输出功率调节控制电路技术方案,它由主一辅整流电路、主储能器、滤波器、辅助补充能量控制电路、稳压电路、滞回比较器、开关控制电路和电子开关等组成.经实验证明:封装了该功率调节电路的压电式双振子微型发电机平均输出功率为250～950 μw,瞬时输出功率可以达到680 mw,而自身的功耗只有40微瓦以下,能满足连续振动环境中微功耗电子器件、传感器或间歇式较大功耗遥测电路供电的要求.     

一种自供电销轴受力检测系统研究

为了实现采煤机在作业中摇臂与连接架之间的连接销轴的受力实时检测,提出了一种基于压电振动俘能自供电销轴受力检测系统,不仅为销轴过载保护提供了重要依据,而且有效解决了经常更换电源的问题。将采煤机工作过程中的振动能量有效的转换为电能,为传感器和无线采集模块提供稳定充足的电能。通过多个现场测试表明,检测系统的自供电性能稳定,截取采煤机900s内工作时间进行分析,得到销轴X、Y、Z方向上最大载荷分别为16.26173 kN、51.32143 kN、303.93931 kN,测试结果与实际工况相接近,验证了基于压电振动俘能装置的自供电销轴受力检测系统应用于实际工程检测的可行性和精确性。     

An innovative piezoelectric energy harvester using clamped–clamped beam with proof mass for WSN applications

In this paper a miniature piezoelectric energy harvester (PEH) with clamped–clamped beam and mass loading at the center is introduced which has more consistency against off-axis accelerations and more efficiency in comparison to other cantilever PEH’s. The beams consist of different layers of Si, piezoelectric, and insulators based on MEMS technology that vibrates by applying an external force to the fixed frame. Due to beam vibration, variable stress is applied to the AlN piezoelectric and a potential difference is created at the output terminals. AlN is deposited on clamped–clamped beams in such a way that produce more stress points which cause more power to be generated in comparison to other cantilever beam PEH’s with about same dimensions. A partial differential equations (PDE) describing the flexural wave propagating in the multi-morph clamped–clamped beam are solved as theoretical calculations for inherent frequency estimation and is confirmed by simulation results. The obtained inherent frequency is 42 Hz which with 1 g (g = 9.81 m/s²) acceleration produces 4 V and 80 µW maximum electrical peak power that can be used in the node of low-power consumption wireless sensor node for wireless sensor network (WSN) applications.

     

一种宽频的磁式压电振动能量采集器

基于环境能量采集的压电振动能量采集器为无线传感器和微机电系统的长期供能提供了一种有效解决方案.目前研制的压电式振动能量采集器存在工作频率高,且频带窄的问题.给出了一种通过磁力的引入使其在低频下工作的、宽频的压电振动能量采集器,并搭建了测试系统对器件进行分析测试.在压电悬臂梁上放置永磁铁取代传统的质量块,同时在悬臂梁的上...