MEMS压电阵列振动能量收集器

近年来,随着微能源的发展,微型压电振动能量收集器得到了广泛关注,但传统d31模式PZT薄膜微型压电振动能量收集器输出电压普遍较低,难以满足应用需求。为提高微型压电振动能量收集器的输出电压,论文提出了共质量块悬臂梁阵列压电振动能量收集器新结构,该结构包含压电悬臂梁单元组成的阵列和一个质量块,悬臂梁阵列共用质量块。采用有限元方法对该结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁单元优化尺寸为3 mm×2.4 mm×0.05 mm,硅质量块优化尺寸为8 mm×12.4mm×0.5 mm。设计了MEMS压电阵列振动能量收集器加工工艺流程,加工出原理样件。在1 gn加速度,239.7 Hz谐振频率激励下,测试得到样件输出开路电压有效值为9.16 V;在最优化负载200 kΩ下,负载输出电压有效值为5.51 V,输出功率为151.8μW。     

带谐振腔的微型压电风能采集器

为了提高基于风致振动机理的微型风能采集器在低速风作用下的输出功率,提出一种带谐振腔的微型压电风能采集器结构,该采集器由谐振腔和振动梁构成,振动梁由压电梁和柔性梁组成。谐振腔可以改变振动梁附近的流场分布,扩大作用于振动梁的动风载荷,从而提高了采集器在低速风作用下的输出功率。实验分析了风速、压电梁长度和柔性梁长度对采集器输出性能的影响。当谐振腔尺寸为64 mm×22 mm×14 mm,振动梁长度和宽度分别为38 mm和6.4 mm时,微型风能采集器在17 m/s风载荷作用下的最大输出功率达到1.28 mW。     

基于弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器模型与实验研究

针对刚性支撑压电振动能量采集器工作频带窄、采集效率低等问题,提出了一种基于弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器.利用有限元方法建立了宽频压电振动能量采集器的机电耦合模型,通过Ansys软件仿真分析了能量采集器结构参数对其频域输出特性的影响;根据力学和电学平衡方法建立了宽频压电振动能量采集器的集总参数机电耦合运动微分方程,利用4-5阶龙格库塔算法对方程进行了时域求解,仿真分析了能量采集器在不同结构参数下的振动位移、速度、输出电压和功率等性能.研制了弹性支撑和放大的宽频压电振动能量采集器原理样机,建立了样机系统实验平台,并对理论研究结果进行了实验验证,结果表明本文所提的宽频压电振动能量采集器具有工作频带宽、输出性能高等优点,适合为微电子器件进行供电.     

基于田口法的压电振动俘能器尺寸优化

为了拓宽压电俘能器的工作频带和提高发电效率,设计了一种“己”字型压电振动俘能器结构。以俘能器输出电压最大为目标,采用田口法优化了压电振动俘能器结构的尺寸,建立了俘能器的有限元模型,讨论了输出电压和功率的负载阻抗匹配特性及加速度依赖性,通过实验验证了优化结果的准确性以及结构尺寸的合理性。结果表明,俘能器结构的最佳尺寸组合为A3(95mm)、B3（45mm）、C1(60mm)、D2(35mm)、E1(50mm),尺寸A对于俘能器响应影响最为明显,贡献率达到了26.013%,而尺寸B、C、D、E的影响依次降低,分别为19.062%、18.380%、18.294%、18.252%。研究结果可为压电俘能器结构的动力学优化提供参考。     

带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器

针对带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器,利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法建立了压电振动能量采集器的机电耦合分布参数模型.重点分析了激励频率Ω≥1时系统质量比、刚度比、磁铁对间距等参数对系统输出性能的影响.研制了压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验测试了压电振动能量采集器的输出性能.研究结果表明带弹性放大器的压电振动能量采集器是一个非线性双自由度系统,具有两个双稳态运动区域;在激励频率Ω≥1时压电振动能量采集器需要较大的激励能量才能进入大幅值周期振动状态.     

剪切型压电变压器振动基元尺寸参数对振动模态影响的研究

压电变压器在集成电路中有广泛的使用需求,剪切型压电变压器利用压电材料剪切振动模态优异的压电和机电耦合性能,有着极大的研究价值和发展前景.文章利用有限元方法,仿真分析了剪切型压电变压器振动基元尺寸参数变化对剪切振动模态的影响.为验证有限元仿真计算结果,文章通过激光多普勒振动测量仪测量压电变压器3个振动基元的振动情况,并且...     

一种圆片级硅三层键合的三明治加速度传感器

提出了一种利用体微机械加工技术制作的硅三层键合电容式加速度传感器.采用硅各向异性腐蚀和深反应离子刻蚀技术实现中间梁一质量块结构的制作,通过玻璃软化键合方法完成上、下电极的键合.在完成整体结构圆片级真空封装的同时通过引线腔结构方便地实现了中间电极的引线.传感器芯片大小为6.8 mm×5.6 mm×l.26 ITUTI,其中敏感质量块尺寸为3.2 mm×3.2 mm×0.42 mm.对封装的传感器性能进行了初步测试,结果表明制作的传感器灵敏度约4.15 pF/g,品质因子为56,谐振频率为774 Hz.     

不同阶外激励下压电纤维复合材料悬臂板的内共振特性分析

本文研究了不同阶横向激励作用下压电纤维复合材料(MFC)悬臂板的非线性动力学特性.基于Reddy一阶剪切板理论,引入von Kármán几何非线性理论,利用Hamilton原理建立了结构的非线性动力学控制方程.讨论在不同结构尺寸下的前三阶固有频率,利用Galerkin方法将系统离散为三自由度的非线性常微分方程.考虑主参数共振-1:3:5内共振,分析不同阶外激励作用下压电纤维复合悬臂板的非线性振动响应.数值模拟结果表明,复合材料板几何尺寸增大时结构的固有频率降低.此外,不同阶的横向激励幅值对结构的非线性振动影响很大,为实际工程应用提供理论支持.     

MFC柔性压电材料俘能特性实验及其往复弯曲摆动参数优化

弯曲摆动作用下的柔性压电材料的俘能特性进行了实验研究,利用所设计搭建的"柔性压电材料往复弯曲摆动实验系统"对基于MFC柔性压电材料所制作的悬臂梁柔性压电振子在弯曲摆动作用下的俘能特性展开了实验研究,分别研究了其在不同的弯曲摆角、弯曲摆速、基板厚度、压电材料表面积、负载电阻等影响因素下的俘能特性规律.研究结果表明:处于恒定的弯曲摆角状态下时,逐渐提高柔性压电材料横截面的过程中,悬臂梁柔性压电振子将会输出更大幅值的开路电压.随着负载电阻的增大,形成了更大的开路电压幅值并最终接近稳定状态.调整弯曲摆速后,并没有引起开路电压幅值的明显改变,总体保持相对稳定趋势.经过试验确定较优的参数:设定弯曲摆动角为15,弯曲摆速为20 r/min,压电材料横截面为800 mm2的条件下,外接负载电阻100 kΩ,可以输出2760 mV的开路电压幅值.     

用于无线开关的冲击式压电自发电模块设计

自发电无线开关可将开关按压动作转化为电能,无需电池,具有绿色环保、免布线等优点,在智能家居中得到了广泛应用。应用超低成本的冲击式压电点火器作为发电模块,设计了机械传动结构,将开关面板按压动作转化后驱动压电发电模块,理论上分析优化了结构尺寸参数,采用3D打印技术加工出了样机。同时设计了电源管理电路,实现了高压脉冲信号的降压、整流、储能和稳压输出。实验结果表明：按压一次储能1.6 mJ,约发送60个脉冲信号,能够有效触发接收端。验证了的压电点火器在无线开关上应用的可行性,其将给智能家居领域相关企业带来更大的商业价值。