本文關(guān)鍵詞：微尺度壓電振動發(fā)電機構(gòu)動力學(xué)分析與微電源設(shè)計

  更多相關(guān)文章： MEMS 壓電振動發(fā)電機構(gòu) 理論模型 尺度效應(yīng) 微電源

【摘要】：微機械加工、微電子以及無線傳感等技術(shù)的迅速發(fā)展,使得射頻識別系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、無線傳感器以及它們形成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)廣泛地應(yīng)用于日常生活中。這類微器件的功耗越來越低,能夠低至微瓦量級,這就要求相應(yīng)的供電部件具有體積小、集成度高、壽命長甚至是無人看管、無需更換等特點。傳統(tǒng)的化學(xué)電池供電方式由于存在體積和質(zhì)量較大、供能時間有限等缺點,已經(jīng)無法滿足這些微器件的供能要求。基于MEMS技術(shù)制備的壓電振動發(fā)電機構(gòu)能夠與各種微器件集成加工在一起,實現(xiàn)微器件的集成化和自供能,將自然界廣泛存在的各種振動能量轉(zhuǎn)換為電能,為微電子器件的持久供電提供一種有效的解決方案。因此,基于微尺度的壓電振動發(fā)電機構(gòu)的微電源正受到國內(nèi)外許多研究小組的關(guān)注和重視。本文圍繞面向MEMS技術(shù)的微壓電振動發(fā)電裝置及其應(yīng)用展開了研究。在分析國內(nèi)外研究工作的基礎(chǔ)之上,建立了微壓電振動發(fā)電裝置的機電耦合模型,分析了各個結(jié)構(gòu)參數(shù)以及尺度效應(yīng)對系統(tǒng)輸出性能的影響,并對仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行了分析討論。首先,建立了微壓電振動發(fā)電裝置的“彈簧-質(zhì)量塊-阻尼-壓電”機電耦合模型,但是“彈簧-質(zhì)量塊-阻尼-壓電”機電耦合模型沒有考慮尺寸的縮小對系統(tǒng)帶來的影響,在此基礎(chǔ)之上以偶應(yīng)力理論為基礎(chǔ),建立了微系統(tǒng)具有尺度效應(yīng)的理論模型。其次,對微尺度的壓電振動發(fā)電機構(gòu)模型進行動態(tài)特性分析,分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)以及尺度效應(yīng)對系統(tǒng)的影響,推導(dǎo)出了微系統(tǒng)的輸出電壓表達(dá)式,利用MATLAB對系統(tǒng)的輸出特性進行了仿真,仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比,對比結(jié)果說明了模型的合理性以及局限性。最后,在微壓電振動發(fā)電機構(gòu)研究的基礎(chǔ)之上,對微電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計和高效的外圍接口電路設(shè)計進行了討論,并對基于微電源應(yīng)用的自供能微無線傳感器進行了案例分析。繪制了微傳感系統(tǒng)的電路工作原理圖,對其進行了軟件仿真,證明了其理論上的可行性。
【關(guān)鍵詞】：MEMS 壓電振動發(fā)電機構(gòu) 理論模型 尺度效應(yīng) 微電源
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM31
【目錄】：

• 摘要9-10
• Abstract10-12
• 第1章 緒論12-20
• 1.1 課題的研究背景和意義12-13
• 1.2 壓電式振動發(fā)電技術(shù)的研究進展13-18
• 1.2.1 沖擊式壓電振動發(fā)電裝置13
• 1.2.2 人體活動驅(qū)動的壓電振動發(fā)電裝置13-14
• 1.2.3 壓電薄膜式振動發(fā)電裝置14-15
• 1.2.4 懸臂梁式壓電振動發(fā)電裝置15-18
• 1.3 微尺度壓電振動發(fā)電裝置的應(yīng)用18-19
• 1.4 本文的主要工作19-20
• 第2章 微尺度壓電振動發(fā)電機構(gòu)動力學(xué)建模20-36
• 2.1 引言20
• 2.2 微壓電振動發(fā)電機構(gòu)機電耦合模型20-28
• 2.2.1 微壓電振動發(fā)電機構(gòu)的幾何模型20-21
• 2.2.2 機電耦合模型的建21-25
• 2.2.3 模型參數(shù)的確定25-28
• 2.3 具有尺度效應(yīng)的微壓電發(fā)電機構(gòu)動力學(xué)模型28-34
• 2.3.1 一般的偶應(yīng)力理論28-30
• 2.3.2 基于偶應(yīng)力理論的微結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型30-34
• 2.4 本章小結(jié)34-36
• 第3章 微尺度壓電振動發(fā)電機構(gòu)動態(tài)特性理論分析36-58
• 3.1 引言36
• 3.2 “彈簧-質(zhì)量塊-阻尼-壓電”機電耦合參數(shù)分析36-40
• 3.3 具有尺度效應(yīng)的微發(fā)電機構(gòu)動力學(xué)分析40-50
• 3.3.1 微發(fā)電機構(gòu)自由振動固有頻率及尺度效應(yīng)分析40-44
• 3.3.2 微懸臂梁自由端附加質(zhì)量塊頻率方程的確定44-45
• 3.3.3 微壓電振動發(fā)電機構(gòu)阻尼分析45-47
• 3.3.4 外加激勵微梁偏微分方程的求解47-49
• 3.3.5 微系統(tǒng)輸出電壓表達(dá)式49-50
• 3.4 微壓電發(fā)電機構(gòu)輸出性能仿真及實驗結(jié)果對比50-55
• 3.4.1 微壓電發(fā)電機構(gòu)輸出性能參數(shù)仿真50-53
• 3.4.2 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比分析53-55
• 3.5 本章小節(jié)55-58
• 第4章 基于微尺度壓電振動發(fā)電機構(gòu)的微電源設(shè)計58-76
• 4.1 引言58
• 4.2 微電源結(jié)構(gòu)設(shè)計計算58-60
• 4.3 高效外圍接口電路設(shè)計60-67
• 4.3.1 經(jīng)典外圍接口電路60-63
• 4.3.2 無源峰值監(jiān)測開關(guān)電路63-67
• 4.4 基于微電源應(yīng)用的自供能微無線傳感器設(shè)計案例分析67-74
• 4.4.1 信號處理理論基礎(chǔ)67-69
• 4.4.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及轉(zhuǎn)換流程69-71
• 4.4.3 自供能微無線傳感器工作原理71-74
• 4.5 本章小節(jié)74-76
• 第5章 總結(jié)與展望76-78
• 5.1 總結(jié)76-77
• 5.2 展望77-78
• 參考文獻78-84
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文84-86
• 致謝86-87
• 附件87

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 干東英;微電子機械系統(tǒng)研究的新動向[J];機械設(shè)計與研究;1997年01期

2 丁建寧,孟永剛,溫詩鑄;多晶硅微電子機械構(gòu)件材料強度尺寸效應(yīng)研究[J];機械強度;2001年04期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 方華斌;基于MEMS技術(shù)的壓電能量采集器研究[D];上海交通大學(xué);2007年

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本文編號：551135