基于mems微型振动式发电机的计算与模拟分析_唐彬

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1、MEMS器件与技术MEMSDevice&Technology基于MEMS微型振动式发电机的计算与模拟分析唐彬，温中泉，温志渝，董媛，刘雪花（重庆大学微系统研究中心光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044）摘要：提出了一种基于驻极体的MEMS微型振动式发电机，该微型发电机通过极化电荷在由振动引起变化的电容极板之间转移，实现外部振动机械能向电能的转换。在已研制出的驻极体材料基础上，通过对微型振动式发电机的叉指参数、驻极体与电极的间距等参数进行了计算分析，从理论上得到了最大功率为250μW的微型振动式发电机模型。关键词：微机电系统；驻极体；振动；发电机中图分类号：TH89文献标识码：A文章

2、编号：1671-4776（2007）09-0881-04CalculationandSimulationofMEMSElectret-BasedMicroVibrationPowerGeneratorTANGBin，WENZhong-quan，WENZhi-yu，DONGYuan，LIUXue-hua（KeyLaboratoryofOptoelectronicTechnologyandSystems，Micro-SystemResearchCenter，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China）Abstract：AnovelMEMSelectrets

3、-basedmicrovibrationpowergeneratorwhichcouldconvertvi-brationenergyofoutsidetoelectricalenergybycapacitiveconversionwasproposed.Basedonakindofpreparedandcharacterizedelectretmaterial，thebasicstructureofamicrovibrationpow-ergeneratorandtheoptimizeddimensionsofinterdigitalfingers，electret，andthegapbe

4、tweenelectrodesandtheelectretwereanalyzed.Finally，thepeakpowerofthemicrovibrationpowergeneratoriscalculatedtobe250μW.Keywords：MEMS；electret；vibration；generator技术的滞后，影响了各项高性能元件的进步，因此1引言对体积小、重量轻、能量密度高的微型能源的需求在MEMS技术发展的过程中，微能源问题已非常迫切。因而，微能源技术是MEMS技术发展经成为MEMS进入实用化和自动化的主要障碍之的关键技术之一。一。近年来，电子、资讯及通讯等产品在向无线

5、根据目前微电源的发展，电磁式、压电式、静化、便携式方向发展方面取得了长足进展，各种电式微型发电机已经成为研究的热点。香港中文大［1］轻、薄、短、小的产品纷纷面世，但是由于微能源学的微型发电机是一个由永久磁铁、激光微加收稿日期：2006-12-16基金项目：国家“863”资助项目（2005AA404280）MicronanoelectronicTechnology/September2007881微纳电子技术2007年第9期MEMS器件与技术MEMSDevice&Technology工的谐振弹簧、铜线圈等组成的弹簧质量块系统，体的正对面积发生变化，因此电容发生变化，引起根据法拉第电磁感应定律，

6、通过由激光微加工出来上下极板电荷的重新分布，在环路中产生了电流，的铜弹簧将外界的机械能转换为电能，而能量处理从而使振动能转换成了电能。由于静电感应，驻极电路用来提高交流输出并蓄能。实验结果表明：当体上注入的电荷Q等于下极板感应电荷Q1（t）和上振幅小于200μm且振动频率为60～110Hz时，输极板感应电荷Q2（t）之和，即出交流电压的峰峰值为2～4V，输出功率为200～Q=Q1（t）+Q2（t）（1）680μW。美国乔治亚技术学院和MIT研究的微型根据平板电容计算公式，得到驻极体与下极板［2］发电机是根据喷气飞机发动机原理和法拉第电和上极板的电容分别为磁感应定理，在硅兼容晶片上通过转动涡轮

7、获得电ε0εrC1（t）=-A（t）流，产生了1.1W的电量。美国Berkeley大学研制d［3］ε出的微型静电式振动发电机以低频振动为能量C（t）=-0A（t）（2）2g来源，静电换能部分采用基于硅的MEMS工艺加式中：ε0，εr分别为真空介电常数和驻极体材料的工制造，因为这可以与硅基微电子技术很好地兼介电常数；d为驻极体厚度；g是上极板与驻极体容。的距离；A为极板与驻极体的正对面积。基于国内外微电源研究的