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通过测量面内振动来表征MEMS器件的能量收集

2019-03-21 浏览: 177

微机电(MEMS)换能器可用于从环境振动中获取能量。这些静电装置通过梳状结构中的可变电容将质量块振动中所含的机械能转换成电能。本文中,我们使用显微式激光测振仪,以纳米分辨率测量共振器的面内振动特性。通过对换能器施加从小到大的激励,产生并测量出换能器的线性和非线性动力学响应。最重要的是,还可确定不同的激励和负载阻抗对能量采集的影响。


·  为什么需要能量采集?

进行能量采集的微型化系统是自维持换能器和执行器系统的关键部件。他们从环境能量源(如温度梯度,机械振动,或气流)中产生电流。本文讨论的MEMS器件利用环境振动来驱动弹簧悬浮质量块的运动,从而改变静电梳状微结构的电容来产生电流。环境振动覆盖的振幅和频率范围很广。如图1所示,通常情况下,和活体相比,机械装置的频率较高振幅较低。

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图1 机械装置和活体运动的典型频率和振幅范围


·  实验布局

通过对设计成交错梳状结构的可变电容进行充电,实现将机械能转换成电能。在图2中,左侧为MEMS换能器的功能布局,右侧为实际设备的放大图像。换能器包括一个由四个弹簧悬浮起来的质量块,这四个弹簧长1毫米,宽度在1.4~7.4μm之间不等。根据理论分析,可计算出当质量块为0.1mg时,其共振频率在96~1160Hz之间。质量块相对的梳状齿就像一个可移动的电极,与外部的梳状电极一起固定在基底上,以此获得两个可变电容。换能器采用绝缘硅(SOI)工艺,平面内的总体尺寸是3x6 mm2。

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图2 机电换能器和梳状结构的功能性布局


·  面内振动测量

为了更深入地了解能量换能器的机械动力学,很有必要获知换能器的频率特性。为此,我们采用压电致动器作为激励源,使用频闪技术和光学图像处理技术,以纳米分辨率测量质量块的面内运动z(t)、【幅相】和激励振动y(t)。本次试验中,测量系统是MSA-500显微式激光测振仪,其包含同步频闪LED光源和先进的摄像机,通过对周期运动中不同相位的图像进行“冻结”,从而提取面内运动数据。此外,激励由单点式激光测振仪来控制,包括测量光束和参考光束。实验装置示意图如图3所示。

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图3 激励装置的安装示意图及质量块的运动测试

 

为获取这些装置的动态特性,记录了当输入振动为2.4nm时,质量块在位移峰峰值Zpp时的共振。测量结果如图4所示。测量数据显示为振幅和相位的洛伦兹特性。面内运动z(t)的相位相对于激励y(t),在共振时有个90°的变化,这个在图4中也可以看到。在大气中工作时,得到的q因子为190,计算出的共振频率为1160 Hz,要低于实际测量值1522 Hz,而且器件的共振频率还将随着激励的减弱而进一步减小。如图5所示,三次递增的激励振幅分别为8、19和37 nm,在较高的激励振幅下,该器件表现出非线性特性,且在更高的频率处出现共振峰,这种效应被称为弹簧硬化。

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图4 换能器的幅值、相位VS频率曲线

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图5 高激励幅值下Zpp的非线性曲线


· 什么决定了能量输出?

实验结果进一步证实了质量块的运动与可变电容及能量收集之间的相关性。在图6中,横坐标为频率f,激励幅值为0.2μm、电压70 V,得出的是不同负载阻抗Rload下的能量收集的输出功率P。由图可以看出,负载阻抗对于能量收集装置的输出功率是一个重要参数,在具体应用中可以进行优化改进。

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图6 不同负载阻抗下,频率和能量采集功率曲线






·  鸣谢

Author · Contact

Dipl-Ing. Ulrich Bartsch

Microsystem Materials Laboratory

Department of MicrosystemsEngineering

(IMTEK), University of Freiburg

D-79110 Freiburg, Germany

bartsch@imtek.de



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