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      主辦單位: 共青團中央   中國科協   教育部   中國社會科學院   全國學聯  

      承辦單位: 四川大學     

      基本信息

      項目名稱:
      微型壓電發動機研究
      小類:
      機械與控制
      簡介:
      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力學方程。為使該曲梁的諧振頻率與周圍環境的振動頻率相匹配(環境振動頻率通常小于1000Hz),本為利用ANSYS軟件對該曲梁的結構參數進行了初步的分析。分析結果表明,壓電曲梁的第一階諧振頻率與其厚度成正比。
      詳細介紹:
      為解決傳統的化學電池體積大、壽命短,無法滿足無線傳感器網絡、嵌入式系統等新技術的供能要求這一難題,人們開始研究環境能量采集技術。環境能量采集技術是利用環境中存在的各種能量,將其轉化為電能并儲存起來,為電子系統提供電能。振動機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入的地方都有振動源存在,研究振動能量收集技術具有更普遍的意義。壓電材料因為能量密度大,易于設計成微型甚至是納米級的電子器件而受到的廣泛的研究。文[1]對為傳感器節點供電的微型能量俘能器進行了研究。壓電材料可以和其它材料復合從而可以設計成各種結構形式的壓電俘能器系統,各國學者對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,周圍環境的振動頻率都比較低,它們從噪聲或機械振動等這些環境振動源中提取能量。因此,應該將壓電俘能結構的前幾階諧振頻率設計得較低。工程應用中常遇到的困難是:對常見的低頻能源,如蘊藏能量最多的環境噪聲或聲振動頻率一般在小于1000Hz。通常研究的直線型梁結構俘能器即使在最低頻彎曲模態下工作,其固有頻率仍然比環境振動的頻率高許多,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量都設計得非常大,但這不利于器件的穩定性及微型化,況且這種結構的固定端受力也非常大,不利于器件的持續可靠的工作。 本文提出了一種阿基米德螺旋狀壓電單晶片結構作為俘能結構。從外形上看,螺旋狀結構等效于一條長曲梁/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構具有相對較低的頻率,而且因為長條帶呈螺旋狀,結構的尺寸仍可以保持得很小。結構的穩定性得到極大改善,按這種結構型式設計的壓電俘能器非常有利于微電子器件的微型化,也有利于延長結構的使用壽命。 壓電俘能器結構 考慮一阿基米德螺旋線,則其極坐標方程為: (1) 其中R為曲梁的半徑,α為控制螺旋線間距的參數,θ為螺旋線的極角。設該螺旋線的長度為s,則s的表達式為: (2) 圖1列出了一般曲梁的幾何結構外形,設曲梁的橫截面為矩形且關于y軸和z軸對稱。同時假設該曲梁的橫截面相對于面內變形而言為剛性,并忽略其中面的剪切變形?;贖amilton理論,該梁的機械振動模態的表達式為[5]: (3) 其中下標r表示該表達式為機械振動模態,N表示機械振動模態的介數,系數c,d,e,f為待定參數,這些參數由曲梁的強制邊界條件來確定。 圖1 曲梁結構 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模態,根據假設,可將方程(3)簡化為如下表達式[5]: (4) 其中r為位移幅值,v為電壓幅值,其它參數的表達式及含義可參考文獻[5]。 螺旋線壓電俘能器參數分析 本文利用ANSYS軟件對一螺旋線懸臂式單晶片壓電懸臂梁的動態行為進行了分析。該壓電懸臂由兩部分組成:基底層和壓電層?;讓硬牧蠟镾U-8,壓電層為PZT-5,這兩種材料的材料常數可參考文獻[1]。設該壓電懸臂層合梁的初始長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單元對該壓電懸臂梁進行了網格劃分。為保證所分析結果的準確性,該壓電懸臂層合梁被劃分為24860個單元,網格劃分結果如圖2所示。 圖2 壓電懸臂梁網格劃分 ANSYS提供了模態分析功能,該功能可以獲得結構自由振動的相關信息。在對結構進行模態分析的過程中,設結構的剛度和質量保持為常數,結構的阻尼不予考慮,且考慮隨時間變化的力、壓力、位移或其它外部載荷。采用ANSYS提供的Block-Lanczos方法,可以對結果的振動模態和諧振頻率進行提取。 圖3 諧振頻率與厚度的關系 在對該壓電懸臂曲梁進行分析時,設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,兩者之間成線性關系。在分析中,將壓電層和基底層的厚度設置為相同厚度且梁的總長度為3590um。隨著壓電層合結構的厚度的降低,結構的剛度將隨之降低,因此壓電層合結構的第一階諧振頻率也降低。 圖4 諧振頻率與長度的關系 圖4為壓電層合結構第一階諧振頻率與梁長度的變關系圖。計算時設定整個梁的厚度為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。梁長度對梁結構諧振頻率變化的影響有限。在一維情況下,諧振頻率與梁長度的變化關系與梁長度的l-3/2有關。在曲梁形式下,梁的諧振頻率與梁長度的關系為l-k,其中k值為1.29。產生這種差異的原因可能是曲梁內部彎矩的存在。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雜化。 梁的諧振頻率除了與梁的長度、厚度有關外,還與梁的寬度有一定的關系。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,梁截面內所受到的彎矩和扭矩也隨著增加,這樣也導致了梁的諧振頻率與梁的寬度之間呈現出了與單獨提高梁厚度不同的非線性的關系。 圖5 諧振頻率與梁寬度之間的關系 圖6列出了梁的第一階振動頻率下的振動模態圖。從圖可以看出,在第一階振動模態下,梁所有點的位移均沿著水平面的同一個方向,也就是說,梁上每個點都沿著梁所在平面的法線方向進行運動,并且運動方向一致,要么同時沿著正法線方向移動,要么同時沿著負法線方向移動。這樣可以保證壓電表面上所有點上的電荷都是相同電荷,可以最大程度上發揮壓電層的俘能效能。 (a) 未振動時情況 (b) 一階振動模態 圖6 壓電曲梁振動第一階模態 總 結 本文設計出了一種低頻阿基米德螺旋狀單晶片壓電俘能器結構,并根據曲梁理論建立了該俘能器的耦合計算模型。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,從而導致了梁第一階諧振頻率的提高??偟恼f來,這種俘能器固有頻率較低,適用于從豐富的低頻環境振動或噪聲振動源中俘取能量。因采用螺旋狀結構,減小了結構的外形尺寸,有利于微電子器件的微型化和集成化,同時結構的穩定性得到極大改善,利于增加結構的可靠性。 參考文獻 [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.

      作品專業信息

      撰寫目的和基本思路

      近來,傳感器技術和交互節點網絡技術方面的研究已取得了很大的突破。雖然網絡節點在數量密度上增加了很多,并在尺寸上也已向微型化方向發展,但這些發展對電源的體積、壽命和能量密度方面的要求卻越來越嚴格,傳統的供電方式已經不能滿足傳感器網絡節點數量不斷增加的要求。因此,研究新的供電技術便顯得十分關鍵。

      科學性、先進性及獨特之處

      1、螺旋狀壓電單晶片設計可以使結構的第一階諧振頻率與周圍環境的振動接近,保證俘獲的能量最大;2、螺旋狀壓電單晶片設計可以使結構占用空間比較小而表面積較大,提高俘能器的俘能能力。

      應用價值和現實意義

      壓電陶瓷發電裝置的優點在于結構簡單、無污染、能量密度大、易于加工和實現微型化及集成化等,尤其適用于各類傳感器網絡及監測系統。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備的供電能源,能夠使電子設備適應環境進行自供電,提高設備的免維護性。

      學術論文摘要

      壓電俘能器通常要在某一特定的頻率范圍下工作,它們從環境噪聲或機械系統的振動等低頻振動中提取能量。因此,應該將俘能系統的固有頻率設計得較低,以與振動源的頻率相匹配。工程設計中常遇到的困難是:常見的低頻振動源,如環境噪聲或機械振動的頻率一般在50-200 Hz之間,通常的直線懸臂梁結構俘能器的第一階固有頻率比環境振動的頻率高許多,除將非壓電梁的跨高比和端部的集中質量都設計取得非常大,但這將使結構的固定端受力也非常大,不利于系統安全可靠性的工作。這表明應該設計新的俘能器結構: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構。顯然,該壓電螺旋狀結構等效于一條長曲梁,因此具有相對較低的第一階諧振頻率,而且因為曲梁呈螺旋狀,結構的外形尺寸比較小。結構的穩定性可以得到保證,按這種結構型式設計的能源壓電俘能器非常有利于電子系統的微型化,也有利于延長結構的使用壽命。

      獲獎情況

      2010廣東工業大學舉辦的ICMEA2010會議上發表

      鑒定結果

      參考文獻

      參考文獻 [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主要組成部分:(1)壓電俘能結構,該結構在周圍環境的激勵下產生振動,壓電結構的正壓電效應將機械能轉換成電能,從而輸出交流電。(2)儲能元件,如電容器或可充電電化學電池。(3)調節電路,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,并能通過調節電路參數而使得俘能結構工作在最優狀態,并且可保證儲能電池能高效平穩充電。 壓電俘能器的早期研究主要集中在利用等效電路法上,通過該方法可以對壓電俘能器的結構參數進行優化。等效電路法是利用電路網絡理論來研究機電耦合系統的一種簡便且有效的方法?;静襟E為:(1) 根據力學模型和壓電材料的特性獲得力電耦合控制方程,推導出位移等參量的待定系數表達式;(2) 利用力電系統的相似性,建立起可聯系系統的機械電壓向量與機械電流向量的阻抗矩陣;(3) 運用電路網絡理論并由阻抗矩陣建立等效電路;(4) 對等效電路進行操作使之符合給定的邊界條件。 Roundy以微波爐工作時產生的振動作為振動驅動源,設計出了收集振動能的微型壓電發電裝置。2004年,Leland等設計出了自供能微型溫度傳感器節點,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,并實現了對溫度傳感節點的連續供電。英國University of Southampton和法國TIMA Grenoble等微系統研究機構合作開展了微型壓電懸臂梁發電裝置的研究,實現自供能集成傳感網絡節點,他們所設計的系統完全利用微加工工藝實現了微型壓電電源裝置、儲能元件、傳感網節點等集成組裝。國內上海交通大學、南京航空航天大學、吉林工業大學等近來也開展了關于壓電振子發電的微型壓電俘能系統的研究工作。
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