基于非线性力学结构的复合式MEMS振动能量收集技术的研究

本项目是在当前无线传感网络对适配微能源迫切需求的背景下，以收集环境振动能量为研究切入点，提出利用压电-静电复合式非线性振动能量收集技术实现对环境振动能量的自适应和高效率的收集。通过建立压电-静电复合式非线性机电耦合振动能量收集的数学模型，并借助专业化的非线性数值分析和有限元分析软件平台，开展复合式能量收集结构的非线性振动机电耦合特性和能量转换输出特性的研究。在实验上，通过搭建大尺寸原理样机开展关键参量对能量转换输出特性的影响研究。在此基础上借助MEMS设计和制造技术，实现压电-静电复合式非线性振动能量收集器的最优化结构设计，并实现器件的微型化制造及其性能的测试。本项目旨在揭示非线性机电耦合效应在拓宽振动能量收集频带和提高振动能量收集效率的机理，为设计和制造高效的微型振动能量收集器奠定理论和技术基础。

课题组于2011-2013年度开展了国家自然金面上项目“基于非线性力学结构的复合式MEMS振动能量收集技术的研究”（No.51075344）的研究。期间开展了大尺寸L型四悬臂的单独压电、单独静电式，和压电-静电复合式振动能量收集的研究。设计并制备了大尺寸的L型四悬臂的压电-静电式能量收集结构，并搭建了测试振动平台开展了非线性振动能量收集的研究。利用静电力、悬臂柔性刚度和质量块碰撞产生非线性能量收集的原理，分别对压电、静电和压电-静电复合收集结构的能量收集特性开展研究，并设计了MEMS复合能量收集结构器件。同时，项目还开展了同位素辐射能量转化电能的长寿命能量收集电池的研究。分别开展了氮化镓（GaN）和多晶硅两种材料的PIN结和肖特基结收集结构的设计和实验研究。此外，项目还开展了同位素辐射能量基振动能量收集技术研究，研究了通过静电收集方式转化电能的工作原理及MEMS结构设计。. 截至目前，利用本项目资助发表SCI收录论文13篇（JCR2区7篇），其它EI收录论文18篇，申请专利8项（授权1项），培养硕士生10人和博士生6人。