高度集成的非线性宽频带电磁振动能量采集器的研究

电磁振动能量采集器可以把环境中普遍存在的机械振动能转化成电能，是无线传感器、植入式传感器等各种低功耗电子器件长期、全天候供能的主流方案之一。目前工作频带太窄已成为这类器件研究亟需解决的关键问题。而在能量采集过程中，器件拾振系统的振动形式是决定其工作频带宽度的主要因素之一，在大量前期研究工作的基础上，本项目提出一种具有宽频带特性的电磁振动能量采集器新型设计，合理利用悬浮拾振系统的非线性扩频特性，实现振动能量的宽频带采集和转换，并借助永磁材料微结构图形化集成制造技术和相关微细加工技术制得原型器件，对其输出特性进行测试，全面评价新型器件的性能和潜力，并验证上述原理的可行性和有效性。本项目是在微米尺度上对电磁振动能量采集器频带拓宽并实现集成制造的有益尝试，有望从根本上克服此类器件频带过窄、集成度过低的缺点，对于解决各类低功耗器件的长期供能问题，并推进其广泛应用具有深远的科学意义和促进作用。

微型电磁式振动能量采集器能够全天候、自动地把环境中广泛存在的机械振动能转化为电能，从而为无线传感器等各种低功耗电子元器件长期有效供电。工作带宽较窄、器件整体集成度低是限制其真正应用的关键问题。针对上述问题，本项目研制出了一种利用永磁体微结构集成制造技术和MEMS技术实现器件全集成、利用非线性振动实现宽频带工作的微型电磁式振动能量采集器。其研究成果为进一步研制各种全集成及宽频带振动能量采集器等器件探寻了可行的路径。取得的成果主要有：.(1) 通过大量的实验研究，实现了粘结永磁体微结构的图形化集成制造，典型微永磁体的尺寸为200×200×70 µm3。并形成了相应的成套工艺，为永磁材料广泛应用于各种磁MEMS器件提供了可行的制造方法。.(2) 综合运用永磁体微结构图形化集成制造技术和其他MEMS微加工技术，制造出体积约为20mm3的原型器件，是文献报道中体积最小的电磁式振动能量采集器之一。其体积也仅为本课题组前期制作器件（体积约为320mm3）的6.25%。并且形成了器件集成制造的成套工艺。.(3) 利用平面弹簧的非线性振动实现了能量采集器的宽频带工作，同时，通过优化平面弹簧的几何形状来强化其非线性振动，使得带宽进一步增加。测试表明，器件原型样机的带宽从0.1g加速度下的2.4Hz增加到0.8g下的26.1Hz。上述研究对其他类型的宽频带振动能量采集器的研制具有一定的参考和借鉴意义。