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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 微型壓電發(fā)動(dòng)機(jī)研究
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 簡(jiǎn)介：
- 本文首先建立了一曲梁壓電單晶MEMS壓電俘能器的分析模型。利用曲梁理論建立該矩形截面梁的動(dòng)力學(xué)方程。為使該曲梁的諧振頻率與周圍環(huán)境的振動(dòng)頻率相匹配（環(huán)境振動(dòng)頻率通常小于1000Hz），本為利用ANSYS軟件對(duì)該曲梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了初步的分析。分析結(jié)果表明，壓電曲梁的第一階諧振頻率與其厚度成正比。
- 詳細(xì)介紹：
- 為解決傳統(tǒng)的化學(xué)電池體積大、壽命短，無(wú)法滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)等新技術(shù)的供能要求這一難題，人們開始研究環(huán)境能量采集技術(shù)。環(huán)境能量采集技術(shù)是利用環(huán)境中存在的各種能量，將其轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存起來，為電子系統(tǒng)提供電能。振動(dòng)機(jī)械能是一種存在范圍很廣的能量形式，尤其在許多人們比較難以進(jìn)入的地方都有振動(dòng)源存在，研究振動(dòng)能量收集技術(shù)具有更普遍的意義。壓電材料因?yàn)槟芰棵芏却螅子谠O(shè)計(jì)成微型甚至是納米級(jí)的電子器件而受到的廣泛的研究。文[1]對(duì)為傳感器節(jié)點(diǎn)供電的微型能量俘能器進(jìn)行了研究。壓電材料可以和其它材料復(fù)合從而可以設(shè)計(jì)成各種結(jié)構(gòu)形式的壓電俘能器系統(tǒng)，各國(guó)學(xué)者對(duì)壓電俘能器開展了廣泛的研究[2-4]。 壓電俘能器通常在某一特定的頻率范圍下工作，通常，周圍環(huán)境的振動(dòng)頻率都比較低，它們從噪聲或機(jī)械振動(dòng)等這些環(huán)境振動(dòng)源中提取能量。因此，應(yīng)該將壓電俘能結(jié)構(gòu)的前幾階諧振頻率設(shè)計(jì)得較低。工程應(yīng)用中常遇到的困難是：對(duì)常見的低頻能源，如蘊(yùn)藏能量最多的環(huán)境噪聲或聲振動(dòng)頻率一般在小于1000Hz。通常研究的直線型梁結(jié)構(gòu)俘能器即使在最低頻彎曲模態(tài)下工作，其固有頻率仍然比環(huán)境振動(dòng)的頻率高許多，要想將這種壓電俘能器的固有頻率降低，只有將壓電梁的跨高比和懸掛的集中質(zhì)量都設(shè)計(jì)得非常大，但這不利于器件的穩(wěn)定性及微型化，況且這種結(jié)構(gòu)的固定端受力也非常大，不利于器件的持續(xù)可靠的工作。 本文提出了一種阿基米德螺旋狀壓電單晶片結(jié)構(gòu)作為俘能結(jié)構(gòu)。從外形上看，螺旋狀結(jié)構(gòu)等效于一條長(zhǎng)曲梁/帶，因此相比于其它直線型壓電俘能器，螺旋狀的壓電俘能結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較低的頻率，而且因?yàn)殚L(zhǎng)條帶呈螺旋狀，結(jié)構(gòu)的尺寸仍可以保持得很小。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到極大改善，按這種結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)的壓電俘能器非常有利于微電子器件的微型化，也有利于延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。 壓電俘能器結(jié)構(gòu) 考慮一阿基米德螺旋線，則其極坐標(biāo)方程為： (1) 其中R為曲梁的半徑，α為控制螺旋線間距的參數(shù)，θ為螺旋線的極角。設(shè)該螺旋線的長(zhǎng)度為s，則s的表達(dá)式為： (2) 圖1列出了一般曲梁的幾何結(jié)構(gòu)外形，設(shè)曲梁的橫截面為矩形且關(guān)于y軸和z軸對(duì)稱。同時(shí)假設(shè)該曲梁的橫截面相對(duì)于面內(nèi)變形而言為剛性，并忽略其中面的剪切變形?；贖amilton理論，該梁的機(jī)械振動(dòng)模態(tài)的表達(dá)式為[5]： (3) 其中下標(biāo)r表示該表達(dá)式為機(jī)械振動(dòng)模態(tài)，N表示機(jī)械振動(dòng)模態(tài)的介數(shù)，系數(shù)c，d，e，f為待定參數(shù)，這些參數(shù)由曲梁的強(qiáng)制邊界條件來確定。 圖1 曲梁結(jié)構(gòu) 壓電俘能器通常工作在第一階固有頻率下，因此考慮圖1所示曲梁的第一階振動(dòng)模態(tài)，根據(jù)假設(shè)，可將方程（3）簡(jiǎn)化為如下表達(dá)式[5]： (4) 其中r為位移幅值，v為電壓幅值，其它參數(shù)的表達(dá)式及含義可參考文獻(xiàn)[5]。 螺旋線壓電俘能器參數(shù)分析 本文利用ANSYS軟件對(duì)一螺旋線懸臂式單晶片壓電懸臂梁的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行了分析。該壓電懸臂由兩部分組成：基底層和壓電層。基底層材料為SU-8，壓電層為PZT-5，這兩種材料的材料常數(shù)可參考文獻(xiàn)[1]。設(shè)該壓電懸臂層合梁的初始長(zhǎng)度和初始寬度分別為35um和3590um，基底層和壓電層的厚度均為1um。本文利用ANSYS提供的solid5單元對(duì)該壓電懸臂梁進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。為保證所分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，該壓電懸臂層合梁被劃分為24860個(gè)單元，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。 圖2 壓電懸臂梁網(wǎng)格劃分 ANSYS提供了模態(tài)分析功能，該功能可以獲得結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的相關(guān)信息。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析的過程中，設(shè)結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量保持為常數(shù)，結(jié)構(gòu)的阻尼不予考慮，且考慮隨時(shí)間變化的力、壓力、位移或其它外部載荷。采用ANSYS提供的Block-Lanczos方法，可以對(duì)結(jié)果的振動(dòng)模態(tài)和諧振頻率進(jìn)行提取。 圖3 諧振頻率與厚度的關(guān)系 在對(duì)該壓電懸臂曲梁進(jìn)行分析時(shí)，設(shè)定提取的最大頻率為2kHz。本文分析在不同厚度下壓電懸臂梁諧振頻率的變化，變化結(jié)果如圖3所示。由圖可知，隨著層合梁厚度的變換，該壓電梁的第一階諧振頻率也隨著增加，兩者之間成線性關(guān)系。在分析中，將壓電層和基底層的厚度設(shè)置為相同厚度且梁的總長(zhǎng)度為3590um。隨著壓電層合結(jié)構(gòu)的厚度的降低，結(jié)構(gòu)的剛度將隨之降低，因此壓電層合結(jié)構(gòu)的第一階諧振頻率也降低。 圖4 諧振頻率與長(zhǎng)度的關(guān)系 圖4為壓電層合結(jié)構(gòu)第一階諧振頻率與梁長(zhǎng)度的變關(guān)系圖。計(jì)算時(shí)設(shè)定整個(gè)梁的厚度為2um，梁的寬度為35um。由圖可知，該諧振頻率的變化與一維梁的情況相似。梁長(zhǎng)度對(duì)梁結(jié)構(gòu)諧振頻率變化的影響有限。在一維情況下，諧振頻率與梁長(zhǎng)度的變化關(guān)系與梁長(zhǎng)度的l-3/2有關(guān)。在曲梁形式下，梁的諧振頻率與梁長(zhǎng)度的關(guān)系為l-k，其中k值為1.29。產(chǎn)生這種差異的原因可能是曲梁內(nèi)部彎矩的存在。在一維情況下，直線型梁僅僅受到彎矩的作用，但是在，二維情況下，曲梁除了受到彎矩的作用，還受到扭矩的作用。這一附加的作用使得分析大大復(fù)雜化。 梁的諧振頻率除了與梁的長(zhǎng)度、厚度有關(guān)外，還與梁的寬度有一定的關(guān)系。圖5列出了壓電曲梁的第一階諧振頻率與梁的寬度之間的關(guān)系。由圖可知，隨著梁寬度的增加，梁的諧振頻率也隨著增加。在梁寬度增加的情況下，梁的剛度也隨著增加，導(dǎo)致了梁的諧振頻率增加，這與增加梁的厚度類似。另外，隨著梁寬度的增加，梁截面內(nèi)所受到的彎矩和扭矩也隨著增加，這樣也導(dǎo)致了梁的諧振頻率與梁的寬度之間呈現(xiàn)出了與單獨(dú)提高梁厚度不同的非線性的關(guān)系。 圖5 諧振頻率與梁寬度之間的關(guān)系 圖6列出了梁的第一階振動(dòng)頻率下的振動(dòng)模態(tài)圖。從圖可以看出，在第一階振動(dòng)模態(tài)下，梁所有點(diǎn)的位移均沿著水平面的同一個(gè)方向，也就是說，梁上每個(gè)點(diǎn)都沿著梁所在平面的法線方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)方向一致，要么同時(shí)沿著正法線方向移動(dòng)，要么同時(shí)沿著負(fù)法線方向移動(dòng)。這樣可以保證壓電表面上所有點(diǎn)上的電荷都是相同電荷，可以最大程度上發(fā)揮壓電層的俘能效能。 (a) 未振動(dòng)時(shí)情況 (b) 一階振動(dòng)模態(tài) 圖6 壓電曲梁振動(dòng)第一階模態(tài) 總 結(jié) 本文設(shè)計(jì)出了一種低頻阿基米德螺旋狀單晶片壓電俘能器結(jié)構(gòu)，并根據(jù)曲梁理論建立了該俘能器的耦合計(jì)算模型。通過分析表明，隨著梁，外形尺寸的增加，梁的剛度也隨著增加，從而導(dǎo)致了梁第一階諧振頻率的提高。總的說來，這種俘能器固有頻率較低，適用于從豐富的低頻環(huán)境振動(dòng)或噪聲振動(dòng)源中俘取能量。因采用螺旋狀結(jié)構(gòu)，減小了結(jié)構(gòu)的外形尺寸，有利于微電子器件的微型化和集成化，同時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到極大改善，利于增加結(jié)構(gòu)的可靠性。 參考文獻(xiàn) [1] S. Roundy, P. K. Wright and J. Rabaey: Computer Communication, Vol. 26 (2003) No.11, pp.1131-1144. [2] Y. C. Shu, I. C. Lien: Smart Materials and Structures, Vol. 15 (2006) No. 6, pp.1499-1512. [3] G. Ottman, H. Hofmann and A Bhatt et al.: IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 17 (2002) No. 5, pp.669-676. [4] Y. Jeon, R. Sood and J. Jeong, et al.: Sensors and Actuators, A Vol. 122(2005) No. 1, pp.16-22. [5] N. E. du Toit: Modeling and design of a MEMS piezoelectric vibration energy harvester (MS., Massachusetts Institute of Technology, USA 2005), pp.59-92.
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 近來，傳感器技術(shù)和交互節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的研究已取得了很大的突破。雖然網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在數(shù)量密度上增加了很多，并在尺寸上也已向微型化方向發(fā)展，但這些發(fā)展對(duì)電源的體積、壽命和能量密度方面的要求卻越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的供電方式已經(jīng)不能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷增加的要求。因此，研究新的供電技術(shù)便顯得十分關(guān)鍵。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 1、螺旋狀壓電單晶片設(shè)計(jì)可以使結(jié)構(gòu)的第一階諧振頻率與周圍環(huán)境的振動(dòng)接近，保證俘獲的能量最大；2、螺旋狀壓電單晶片設(shè)計(jì)可以使結(jié)構(gòu)占用空間比較小而表面積較大，提高俘能器的俘能能力。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 壓電陶瓷發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染、能量密度大、易于加工和實(shí)現(xiàn)微型化及集成化等，尤其適用于各類傳感器網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。壓電陶瓷換能器通過一定的工藝加工可以制成各種電子設(shè)備的供電能源，能夠使電子設(shè)備適應(yīng)環(huán)境進(jìn)行自供電，提高設(shè)備的免維護(hù)性。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 壓電俘能器通常要在某一特定的頻率范圍下工作，它們從環(huán)境噪聲或機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)等低頻振動(dòng)中提取能量。因此，應(yīng)該將俘能系統(tǒng)的固有頻率設(shè)計(jì)得較低，以與振動(dòng)源的頻率相匹配。工程設(shè)計(jì)中常遇到的困難是：常見的低頻振動(dòng)源，如環(huán)境噪聲或機(jī)械振動(dòng)的頻率一般在50-200 Hz之間，通常的直線懸臂梁結(jié)構(gòu)俘能器的第一階固有頻率比環(huán)境振動(dòng)的頻率高許多，除將非壓電梁的跨高比和端部的集中質(zhì)量都設(shè)計(jì)取得非常大，但這將使結(jié)構(gòu)的固定端受力也非常大，不利于系統(tǒng)安全可靠性的工作。這表明應(yīng)該設(shè)計(jì)新的俘能器結(jié)構(gòu)：既具有較低的第一階諧振頻率，又具有小的外形尺寸。 本文提出了一種低頻螺旋狀壓電單晶片懸臂梁作為俘能結(jié)構(gòu)。顯然，該壓電螺旋狀結(jié)構(gòu)等效于一條長(zhǎng)曲梁，因此具有相對(duì)較低的第一階諧振頻率，而且因?yàn)榍撼事菪隣?，結(jié)構(gòu)的外形尺寸比較小。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以得到保證，按這種結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)的能源壓電俘能器非常有利于電子系統(tǒng)的微型化，也有利于延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。
獲獎(jiǎng)情況
- 2010廣東工業(yè)大學(xué)舉辦的ICMEA2010會(huì)議上發(fā)表
鑒定結(jié)果
- 無(wú)
參考文獻(xiàn)
- 參考文獻(xiàn) [1] S. Roundy, P. K. Wright and J. Rabaey: Computer Communication, Vol. 26 (2003) No.11, pp.1131-1144. [2] Y. C. Shu, I. C. Lien: Smart Materials and Structures, Vol. 15 (2006) No. 6, pp.1499-1512. [3] G. Ottman, H. Hofmann and A Bhatt et al.: IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 17 (2002) No. 5, pp.669-676. [4] Y. Jeon, R. Sood and J. Jeong, et al.: Sensors and Actuators, A Vol. 122(2005) No. 1, pp.16-22. [5] N. E. du Toit: Modeling and design of a MEMS piezoelectric vibration energy harvester (MS., Massachusetts Institute of Technology, USA 2005), pp.59-92.
同類課題研究水平概述
- 壓電俘能器通常包含三個(gè)主要組成部分：（1）壓電俘能結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在周圍環(huán)境的激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)，壓電結(jié)構(gòu)的正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，從而輸出交流電。（2）儲(chǔ)能元件，如電容器或可充電電化學(xué)電池。（3）調(diào)節(jié)電路，將交流電整流成為為直流電，使之能有效的為電池充電或電子元器件供電，并能通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)而使得俘能結(jié)構(gòu)工作在最優(yōu)狀態(tài)，并且可保證儲(chǔ)能電池能高效平穩(wěn)充電。 壓電俘能器的早期研究主要集中在利用等效電路法上，通過該方法可以對(duì)壓電俘能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。等效電路法是利用電路網(wǎng)絡(luò)理論來研究機(jī)電耦合系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)便且有效的方法?；静襟E為：(1) 根據(jù)力學(xué)模型和壓電材料的特性獲得力電耦合控制方程，推導(dǎo)出位移等參量的待定系數(shù)表達(dá)式；(2) 利用力電系統(tǒng)的相似性，建立起可聯(lián)系系統(tǒng)的機(jī)械電壓向量與機(jī)械電流向量的阻抗矩陣；(3) 運(yùn)用電路網(wǎng)絡(luò)理論并由阻抗矩陣建立等效電路；(4) 對(duì)等效電路進(jìn)行操作使之符合給定的邊界條件。 Roundy以微波爐工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)作為振動(dòng)驅(qū)動(dòng)源，設(shè)計(jì)出了收集振動(dòng)能的微型壓電發(fā)電裝置。2004年，Leland等設(shè)計(jì)出了自供能微型溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，該懸臂梁尺寸為31.5mmxl2.7mmx0.51mm，固有頻率只有27Hz，在共振情況下輸出功率為29.3uw，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度傳感節(jié)點(diǎn)的連續(xù)供電。英國(guó)University of Southampton和法國(guó)TIMA Grenoble等微系統(tǒng)研究機(jī)構(gòu)合作開展了微型壓電懸臂梁發(fā)電裝置的研究，實(shí)現(xiàn)自供能集成傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，他們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全利用微加工工藝實(shí)現(xiàn)了微型壓電電源裝置、儲(chǔ)能元件、傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等集成組裝。國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)等近來也開展了關(guān)于壓電振子發(fā)電的微型壓電俘能系統(tǒng)的研究工作。
