双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性

为了降低双通道MEMS微波功率传感器的回波损耗,提高传感器的测量精度,对MEMS悬臂梁的匹配特性进行了研究。首先,通过双通道MEMS微波功率传感器结构构建S参数的理论解析模型,分析了双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,得到了MEMS悬臂梁的间距和回波损耗系数S11的关系;接着利用有限元软件HFSS进行仿真,并和理论结果比较;然后,设计并制作了双通道微波功率传感器;最后,对该传感器的匹配特性进行了测试和分析。实验结果表明:当MEMS悬臂梁的间距为1.6μm时,该传感器在测量8~12GHz频率内的微波信号时,回波损耗小于-19dB。理论和仿真结果较为相符,因此S参数的理论解析模型可以较好地反映双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,对双通道MEMS微波功率传感器的设计具有一定的指导意义。     

多谐振频率固支梁压电能量收集器的设计

为了提高压电振动能量收集器的转换效率,设计了两种固支梁组合方案来实现多谐振频率压电能量收集器。建立固支梁结构的力学模型,得到影响固支梁谐振频率的因素。通过Comsol多物理场软件,仿真验证了两种方案的输出稳态电压频率响应。方案1实现的频带范围为9 Hz,方案2实现的频带范围可达41 Hz。总结了两种方案的优缺点,研究结果对多谐振频率固支梁压电能量收集器的设计及应用具有一定的参考价值。     

MEMS微波功率传感器拉格朗日模型的研究

为了改善热电式微机电系统(MEMS)微波功率传感器的综合性能,首先对负载电阻至热电堆的距离、热偶长度、热偶数目建立灵敏度、噪声系数和时间常数的理论解析模型。根据理论解析模型,分析得到了时间常数、噪声系数对于灵敏度的制约作用。然后基于拉格朗日乘数法建立了在特定噪声系数、时间常数限制下的灵敏度优化解析模型。最终,依据所建立的灵敏度优化模型,得到热电式MEMS微波功率传感器灵敏度最大时的负载电阻至热电堆的距离、热偶长度、热偶数目。实验表明:与传统结构的传感器相比,依据该结构参数设计的传感器的灵敏度特性有了较大改善。因此,所建立的基于拉格朗日乘数法的灵敏度优化解析模型对于研究热电式MEMS微波功率传感器具有一定的参考价值和指导意义。     

热电式MEMS微波功率传感器结构优化的研究

为了改善热电式微电子机械系统(MEMS)微波功率传感器的综合性能,研究了负载电阻与热电堆的间距、衬底背面刻蚀的厚度、长度以及热偶长度4个结构参数,将传感器分成3个区域讨论,建立了热电式MEMS微波功率传感器的灵敏度解析模型。此外,还研究了热电式MEMS微波功率传感器的时间常数模型,传感器的时间常数由负载电阻和热电堆的时间常数组成。最后,根据理论模型分析得出当减小负载电阻与热电堆的间距、增加背面刻蚀厚度、长度以及热偶长度为400μm时,能在保持较小的时间常数的情况下提高灵敏度,从而改善热电式MEMS微波功率传感器的综合性能,这对热电式MEMS微波功率传感器的结构参数的设计与优化具有一定的参考价值和指导意义。     

悬臂梁压电式能量收集器方向性效率的研究

为了研究振动激励方向变化对悬臂梁压电能量收集器(VEH)的电能输出的影响,建立了单悬臂梁能量收集器在任意方向振动激励下的动力学模型以及压电效应的输出模型。振动激励方向根据悬臂梁平面建立的球面坐标系的两个角度参数φ和θ定义,通过理论和仿真分析,发现振动激励方向改变时能量收集器的吸收效率随φ的增加呈余弦变化,随θ的增加呈正弦变化,但φ对收集效率的影响远大于θ的影响。实验表明,θ=0°时,φ从0°增加到90°,吸收效率从理论最高效率的93.52%降低到2.88%,而φ=90°时,θ从0°增加到90°,吸收效率则从2.88%变化到3.88%,得到了悬臂梁能量收集器的输出和激励方向之间的关系,对悬臂梁压电振动能量收集器的设计和研究具有一定的参考价值。