压电/磁电复合式MEMS振动驱动微能源的研究

为了满足无线传感网络节点对供电电源的自供电、低功耗、持续稳定供电的要求,研究了一种可以将环境中机械能转化为电能的MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源,结合压电转换与磁电转换把振动能转换为电能。建立数学模型,用有限分析软件Ansys12.0对不同尺寸的四悬臂梁-中心质量块结构进行力学特性分析,并对加工出的器件进行性能测试。测试结果表明,谐振频率为290Hz下,器件输出电压峰峰值随振动加速度的增加呈线性增加,1 m/s2和6 m/s2激励下有效输出电压分别为61mV和324mV,有望为无线网络传感节点提供性能高、寿命长、自供给的供电电源。     

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。     

MEMS红外光源定向辐射结构设计与分析

红外光源辐射利用率是制造高性能红外系统的关键,准直透镜因其减少红外光源的广角散射而大幅提高红外光源利用率。针对MEMS红外光源设计CaF2高红外透射材料的双凸曲面结构准直辐射透镜,使红外光线收敛呈准直辐射;由MEMS红外光源封装确定透镜最佳口径r=6.48 mm,透镜焦距f=7.2 mm,透镜厚度d'≤2 mm,用Zemax光学软件仿真优化,得出中间层厚度d=0.309 mm。并进行透镜的聚光光路仿真分析和效果验证,为定向辐射MEMS红外光源研发提供最优的原型尺寸参数,极大提高设计效率。     

硅基MEMS红外光源光谱特性测试研究

硅基MEMS红外光源作为红外应用系统的核心部件,其光学辐射特性直接影响着整个红外装置的性能,然而,国内外对于硅基MEMS红外光源的辐射特性尤其是辐射光谱特性未见详细报道,因此,为确定硅基MEMS红外光源的辐射光谱分布,对MEMS红外光源光谱特性进行准确测试是非常必要的。实验采用OL(Optronic Laboratories)系列光谱测量系统对MEMS红外光源进行光谱特性测试,相对辐射光谱测试结果显示该光源的红外光谱波段主要分布在3~5μm,中心波长在3.6μm处,其大气透过率接近90%,具有很好的大气透射度。     

无线无源式矿用乳化液泵振动状态监测系统

为了避免目前矿用乳化液泵站运转时因振动所造成的内部损坏安全隐患,提出了一种基于Zig Bee无线传感网络技术的无源式振动状态监测系统。系统采用主控单元MSP430F5438微控制器、三轴加速度计ADXL345和射频芯片CC2520进行终端节点硬件设计;设计了基于LTC3331的环境振动能量和电池双重输入的能源管理电路,通过压电式振动微能量采集器拾取振动机械能实现节点自供电;系统软件架构基于Zig Bee协议栈Z-Stack-EXP5438。经测试表明,微能源管理模块具有稳定持久供电能力,监测系统可准确实时显示乳化液泵振动信息,确保设备安全运行。     

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。     

硅基MEMS红外光源制造及其辐射特性研究

结合现有微机电系统(MEMS)制造工艺加工设计了一种新型的硅基MEMS红外辐射光源,该光源采用辐射功能层悬浮结构,主要包括微米量级多晶硅辐射层、重掺杂单晶硅反射层、二氧化硅保护层、支撑层和金属电极层;采用硼离子注入技术对多晶硅辐射层进行掺杂改性,实现多晶硅辐射层良好的电阻加热和体辐射效应;采用光谱辐射计对MEMS红外光源辐射光谱进行测试,显示光谱辐射波段为2~14μm;光源驱动电压为5.8 V时,电光转化效率达9.76%,光源开启时间约为20 ms,关断时间约为10 ms,总驱动响应时间为30 ms。