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微能源的发展使MEMS进入实用化和自动化,并且对无线传感网络的发展有着举足轻重的意义。转向无线通信的大趋势淘汰了系统中很多有线电缆,因而希望能使系统脱离电源线和充电器的束缚,而采用能量采集器。
最常用的能量采集器是小型太阳能电池和将机械振动转化为电能的振动能量采集器。太阳能电池只有在足够强的光照下才能有效工作,并非所有运行环境中都有可靠而稳定的光照,但振动能量却几乎无处不在。
振动能量采集器是将环境中的振动能转化为电能的器件。一般的,振动能量采集器分为三种:静电式,提供的能量密度较低,并且除非使用驻极体,必须使用一个最初的电荷来启动:压电式的装置一般需要非常薄的原料,但常常与CMOS工艺不兼容;而电磁式虽然需要铁磁性的材料,并且体积较大,但它有最高的能量密度,适合于应用,有广阔的市场需求。
本论文设计并制作了一种新型的电磁式振动能量采集器,主要采集横向振动能转变为电能。该能量采集器主要包括梁-质量块结构,永磁体以及质量块上铜线圈结构。
首先,我们建立了梁-质量块结构的简化模型,分析了主要尺寸参数对器件频率响应的影响,优化了器件结构,确定的结构参数为:质量块4000μm4000μm×420μm,梁长4000μm、宽35μm、厚180μm,振动间隙8μm。
然后,我们通过Lift-off工艺制作了电极之间的导线结构,导线位于折叠梁上,宽度为20μm,厚度为lμm。通过电镀铜的工艺制作了螺旋形线圈结构。
在关键工艺研究的基础上,设计了器件工艺流程,制作出了能量采集器。
最后,对分别采用圆柱体永磁体和长方体永磁体制作的三个器件做了初步的性能测试。在其共振频率下,加速度为lm/s2时,三个器件的输出电压峰-峰值分别为1.27mY,2.74mV,5.71mV,最大输出功率分别为0.96nW,7.76nW,22.91nW。第三个器件性能最优,在242Hz谐振频率下,外加振动加速度4.9m/s2时,最大输出功率为0.55μW。