碰撞式MEMS能量采集阵列研究

Inspired by the structure and operational mechanism of a windbell, a novel impact-based MEMS energy harvester array was proposed. The shortcomings of low harvesting efficiencies of linear-resonant-based MEMS vibration energy harvestering system on low frequency, wideband vibration energy and wind-induced-vibration-based MEMS wind energy harvesting system on moderate or low speed wind energy were overcome. Enviromental vibration energy and wind energy can be harvested at the same time by this array. Compared with harvesters which only harvest the vibration energy or wind energy, the array has its own characteristics and obvious technological superiority, making the enviromental adaptability better and the application range wider. By systematically studying the theories and key technologies, the response computing method under vibration and wind loads will be established. The group enhancement effects of the array will be explored and the design methods will be developed. Bsed on silicon micromachining, non-silicon micromaching and micro assembling, the three dimensional fabrication method of the array will be studied. The management circuits with high efficiency and low power comsumption will be developed. The impact-based MEMS energy harvester array will be fabricated and the effcient harvesting of low frequency, wideband vibration energy and moderate or low speed wind energy will be realized. The achievements of the project may provide theoretical and technological references to boosting the widely application of MEMS energy harvesting systems in such fields as wireless sensor networks.

本项目受风铃的结构和工作原理启发，提出一种碰撞式MEMS能量采集阵列新结构，该结构克服了线性谐振MEMS振动能采集系统对低频、宽带振动能采集效率不高和风致振动MEMS风能采集系统对中低速风能采集效率不高的缺点，可以同时实现振动能和风能的采集，与目前只采集振动能或风能的MEMS能量采集系统相比，新结构具有自身特色和技术优势，环境适应性更强，应用范围更广。通过对新型碰撞式MEMS能量采集阵列的基础理论和关键技术开展深入研究，建立其在振动和风作用下的响应计算方法，探索能量采集阵列的群体增强效应，形成相应的设计方法，结合硅工艺、非硅工艺和微组装技术，研究MEMS能量采集阵列三维集成加工方法，研究高效、低功耗电源管理电路，研制出高性能碰撞式MEMS能量采集阵列样机，实现宽带、低频振动能和中低速风能的高效采集，为促进MEMS能量采集系统在无线传感等领域的广泛应用奠定一定的理论与技术基础。

常规的基于共振原理的振动能采集系统对环境中丰富的宽带、低频振动能的采集效率不高，基于风致振动机理的风能采集系统对中低速风能的采集效率不高，限制了它们在无线传感、植入医学等领域的广泛应用。针对以上问题，项目受风铃结构的启发，提出一种可以采集多个方向微弱的宽带低频振动能，也可以采集风能的碰撞式微型压电风能采集系统新结构；提出一种可以采集环境中微弱的宽带、低频振动能的电磁式能量采集系统新结构，同文献报道的其他电磁式振动能采集系统相比，该系统的输出电压很高，其管理电路不需要升压模块，简化了电源管理电路结构。根据碰撞式能量采集系统建模的要求，建立了滚珠在基础激励下的运动微分方程，得到了带滚珠的碰撞式压电能量采集系统的完整的理论模型；建立了碰撞式压电动能采集系统的初步理论模型，建立了碰撞式电磁振动能采集系统的理论模型，分析了结构参数等对采集系统输出性能的影响，完成了碰撞式能量采集系统的设计；研制出多种碰撞式能量采集系统原理样机，并对其性能进了测试。开发了以氮化铝为压电薄膜的MEMS压电能量采集器的工艺流程，研制出MEMS压电能量采集器，对其振动能采集和风能采集性能进行了测试，设计了碰撞式MEMS压电能量采集系统的封装结构与加工工艺；利用研制出的压电能量采集阵列和电磁能量采集阵列，开发出自供能的无线温湿度传感节点，以及自供能的无线温湿度和风速传感节点；在实验中发现MEMS压电能量采集器在过渡风速区的响应与驰振理论有明显差异，在分析差异原因的基础上，提出利用耦合振动提高风能采集器性能的方法，基于涡振和驰振理论，从理论上分析了实现涡振与驰振耦合的方法，并通过实验进行了验证。实验表明，项目研制的碰撞式能量采集系统具有环境适应性强的优点，在无线传感等领域具有应用价值；项目提出的利用耦合效应提高风能采集性能的方法对高性能风能采集系统的开发具有重要参考价值。