基本信息
- 项目名称：
- 微型压电发动机研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文首先建立了一曲梁压电单晶MEMS压电俘能器的分析模型。利用曲梁理论建立该矩形截面梁的动力学方程。为使该曲梁的谐振频率与周围环境的振动频率相匹配（环境振动频率通常小于1000Hz），本为利用ANSYS软件对该曲梁的结构参数进行了初步的分析。分析结果表明，压电曲梁的第一阶谐振频率与其厚度成正比。
- 详细介绍：
- 为解决传统的化学电池体积大、寿命短，无法满足无线传感器网络、嵌入式系统等新技术的供能要求这一难题，人们开始研究环境能量采集技术。环境能量采集技术是利用环境中存在的各种能量，将其转化为电能并储存起来，为电子系统提供电能。振动机械能是一种存在范围很广的能量形式，尤其在许多人们比较难以进入的地方都有振动源存在，研究振动能量收集技术具有更普遍的意义。压电材料因为能量密度大，易于设计成微型甚至是纳米级的电子器件而受到的广泛的研究。文[1]对为传感器节点供电的微型能量俘能器进行了研究。压电材料可以和其它材料复合从而可以设计成各种结构形式的压电俘能器系统，各国学者对压电俘能器开展了广泛的研究[2-4]。 压电俘能器通常在某一特定的频率范围下工作，通常，周围环境的振动频率都比较低，它们从噪声或机械振动等这些环境振动源中提取能量。因此，应该将压电俘能结构的前几阶谐振频率设计得较低。工程应用中常遇到的困难是：对常见的低频能源，如蕴藏能量最多的环境噪声或声振动频率一般在小于1000Hz。通常研究的直线型梁结构俘能器即使在最低频弯曲模态下工作，其固有频率仍然比环境振动的频率高许多，要想将这种压电俘能器的固有频率降低，只有将压电梁的跨高比和悬挂的集中质量都设计得非常大，但这不利于器件的稳定性及微型化，况且这种结构的固定端受力也非常大，不利于器件的持续可靠的工作。 本文提出了一种阿基米德螺旋状压电单晶片结构作为俘能结构。从外形上看，螺旋状结构等效于一条长曲梁/带，因此相比于其它直线型压电俘能器，螺旋状的压电俘能结构具有相对较低的频率，而且因为长条带呈螺旋状，结构的尺寸仍可以保持得很小。结构的稳定性得到极大改善，按这种结构型式设计的压电俘能器非常有利于微电子器件的微型化，也有利于延长结构的使用寿命。 压电俘能器结构 考虑一阿基米德螺旋线，则其极坐标方程为： (1) 其中R为曲梁的半径，α为控制螺旋线间距的参数，θ为螺旋线的极角。设该螺旋线的长度为s，则s的表达式为： (2) 图1列出了一般曲梁的几何结构外形，设曲梁的横截面为矩形且关于y轴和z轴对称。同时假设该曲梁的横截面相对于面内变形而言为刚性，并忽略其中面的剪切变形。基于Hamilton理论，该梁的机械振动模态的表达式为[5]： (3) 其中下标r表示该表达式为机械振动模态，N表示机械振动模态的介数，系数c，d，e，f为待定参数，这些参数由曲梁的强制边界条件来确定。 图1 曲梁结构 压电俘能器通常工作在第一阶固有频率下，因此考虑图1所示曲梁的第一阶振动模态，根据假设，可将方程（3）简化为如下表达式[5]： (4) 其中r为位移幅值，v为电压幅值，其它参数的表达式及含义可参考文献[5]。 螺旋线压电俘能器参数分析 本文利用ANSYS软件对一螺旋线悬臂式单晶片压电悬臂梁的动态行为进行了分析。该压电悬臂由两部分组成：基底层和压电层。基底层材料为SU-8，压电层为PZT-5，这两种材料的材料常数可参考文献[1]。设该压电悬臂层合梁的初始长度和初始宽度分别为35um和3590um，基底层和压电层的厚度均为1um。本文利用ANSYS提供的solid5单元对该压电悬臂梁进行了网格划分。为保证所分析结果的准确性，该压电悬臂层合梁被划分为24860个单元，网格划分结果如图2所示。 图2 压电悬臂梁网格划分 ANSYS提供了模态分析功能，该功能可以获得结构自由振动的相关信息。在对结构进行模态分析的过程中，设结构的刚度和质量保持为常数，结构的阻尼不予考虑，且考虑随时间变化的力、压力、位移或其它外部载荷。采用ANSYS提供的Block-Lanczos方法，可以对结果的振动模态和谐振频率进行提取。 图3 谐振频率与厚度的关系 在对该压电悬臂曲梁进行分析时，设定提取的最大频率为2kHz。本文分析在不同厚度下压电悬臂梁谐振频率的变化，变化结果如图3所示。由图可知，随着层合梁厚度的变换，该压电梁的第一阶谐振频率也随着增加，两者之间成线性关系。在分析中，将压电层和基底层的厚度设置为相同厚度且梁的总长度为3590um。随着压电层合结构的厚度的降低，结构的刚度将随之降低，因此压电层合结构的第一阶谐振频率也降低。 图4 谐振频率与长度的关系 图4为压电层合结构第一阶谐振频率与梁长度的变关系图。计算时设定整个梁的厚度为2um，梁的宽度为35um。由图可知，该谐振频率的变化与一维梁的情况相似。梁长度对梁结构谐振频率变化的影响有限。在一维情况下，谐振频率与梁长度的变化关系与梁长度的l-3/2有关。在曲梁形式下，梁的谐振频率与梁长度的关系为l-k，其中k值为1.29。产生这种差异的原因可能是曲梁内部弯矩的存在。在一维情况下，直线型梁仅仅受到弯矩的作用，但是在，二维情况下，曲梁除了受到弯矩的作用，还受到扭矩的作用。这一附加的作用使得分析大大复杂化。 梁的谐振频率除了与梁的长度、厚度有关外，还与梁的宽度有一定的关系。图5列出了压电曲梁的第一阶谐振频率与梁的宽度之间的关系。由图可知，随着梁宽度的增加，梁的谐振频率也随着增加。在梁宽度增加的情况下，梁的刚度也随着增加，导致了梁的谐振频率增加，这与增加梁的厚度类似。另外，随着梁宽度的增加，梁截面内所受到的弯矩和扭矩也随着增加，这样也导致了梁的谐振频率与梁的宽度之间呈现出了与单独提高梁厚度不同的非线性的关系。 图5 谐振频率与梁宽度之间的关系 图6列出了梁的第一阶振动频率下的振动模态图。从图可以看出，在第一阶振动模态下，梁所有点的位移均沿着水平面的同一个方向，也就是说，梁上每个点都沿着梁所在平面的法线方向进行运动，并且运动方向一致，要么同时沿着正法线方向移动，要么同时沿着负法线方向移动。这样可以保证压电表面上所有点上的电荷都是相同电荷，可以最大程度上发挥压电层的俘能效能。 (a) 未振动时情况 (b) 一阶振动模态 图6 压电曲梁振动第一阶模态 总 结 本文设计出了一种低频阿基米德螺旋状单晶片压电俘能器结构，并根据曲梁理论建立了该俘能器的耦合计算模型。通过分析表明，随着梁，外形尺寸的增加，梁的刚度也随着增加，从而导致了梁第一阶谐振频率的提高。总的说来，这种俘能器固有频率较低，适用于从丰富的低频环境振动或噪声振动源中俘取能量。因采用螺旋状结构，减小了结构的外形尺寸，有利于微电子器件的微型化和集成化，同时结构的稳定性得到极大改善，利于增加结构的可靠性。 参考文献 [1] S. Roundy, P. K. Wright and J. Rabaey: Computer Communication, Vol. 26 (2003) No.11, pp.1131-1144. [2] Y. C. Shu, I. C. Lien: Smart Materials and Structures, Vol. 15 (2006) No. 6, pp.1499-1512. [3] G. Ottman, H. Hofmann and A Bhatt et al.: IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 17 (2002) No. 5, pp.669-676. [4] Y. Jeon, R. Sood and J. Jeong, et al.: Sensors and Actuators, A Vol. 122(2005) No. 1, pp.16-22. [5] N. E. du Toit: Modeling and design of a MEMS piezoelectric vibration energy harvester (MS., Massachusetts Institute of Technology, USA 2005), pp.59-92.
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 近来，传感器技术和交互节点网络技术方面的研究已取得了很大的突破。虽然网络节点在数量密度上增加了很多，并在尺寸上也已向微型化方向发展，但这些发展对电源的体积、寿命和能量密度方面的要求却越来越严格，传统的供电方式已经不能满足传感器网络节点数量不断增加的要求。因此，研究新的供电技术便显得十分关键。
科学性、先进性及独特之处
- 1、螺旋状压电单晶片设计可以使结构的第一阶谐振频率与周围环境的振动接近，保证俘获的能量最大；2、螺旋状压电单晶片设计可以使结构占用空间比较小而表面积较大，提高俘能器的俘能能力。
应用价值和现实意义
- 压电陶瓷发电装置的优点在于结构简单、无污染、能量密度大、易于加工和实现微型化及集成化等，尤其适用于各类传感器网络及监测系统。压电陶瓷换能器通过一定的工艺加工可以制成各种电子设备的供电能源，能够使电子设备适应环境进行自供电，提高设备的免维护性。
学术论文摘要
- 压电俘能器通常要在某一特定的频率范围下工作，它们从环境噪声或机械系统的振动等低频振动中提取能量。因此，应该将俘能系统的固有频率设计得较低，以与振动源的频率相匹配。工程设计中常遇到的困难是：常见的低频振动源，如环境噪声或机械振动的频率一般在50-200 Hz之间，通常的直线悬臂梁结构俘能器的第一阶固有频率比环境振动的频率高许多，除将非压电梁的跨高比和端部的集中质量都设计取得非常大，但这将使结构的固定端受力也非常大，不利于系统安全可靠性的工作。这表明应该设计新的俘能器结构：既具有较低的第一阶谐振频率，又具有小的外形尺寸。 本文提出了一种低频螺旋状压电单晶片悬臂梁作为俘能结构。显然，该压电螺旋状结构等效于一条长曲梁，因此具有相对较低的第一阶谐振频率，而且因为曲梁呈螺旋状，结构的外形尺寸比较小。结构的稳定性可以得到保证，按这种结构型式设计的能源压电俘能器非常有利于电子系统的微型化，也有利于延长结构的使用寿命。
获奖情况
- 2010广东工业大学举办的ICMEA2010会议上发表
鉴定结果
- 无
参考文献
- 参考文献 [1] S. Roundy, P. K. Wright and J. Rabaey: Computer Communication, Vol. 26 (2003) No.11, pp.1131-1144. [2] Y. C. Shu, I. C. Lien: Smart Materials and Structures, Vol. 15 (2006) No. 6, pp.1499-1512. [3] G. Ottman, H. Hofmann and A Bhatt et al.: IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 17 (2002) No. 5, pp.669-676. [4] Y. Jeon, R. Sood and J. Jeong, et al.: Sensors and Actuators, A Vol. 122(2005) No. 1, pp.16-22. [5] N. E. du Toit: Modeling and design of a MEMS piezoelectric vibration energy harvester (MS., Massachusetts Institute of Technology, USA 2005), pp.59-92.
同类课题研究水平概述
- 压电俘能器通常包含三个主要组成部分：（1）压电俘能结构，该结构在周围环境的激励下产生振动，压电结构的正压电效应将机械能转换成电能，从而输出交流电。（2）储能元件，如电容器或可充电电化学电池。（3）调节电路，将交流电整流成为为直流电，使之能有效的为电池充电或电子元器件供电，并能通过调节电路参数而使得俘能结构工作在最优状态，并且可保证储能电池能高效平稳充电。 压电俘能器的早期研究主要集中在利用等效电路法上，通过该方法可以对压电俘能器的结构参数进行优化。等效电路法是利用电路网络理论来研究机电耦合系统的一种简便且有效的方法。基本步骤为：(1) 根据力学模型和压电材料的特性获得力电耦合控制方程，推导出位移等参量的待定系数表达式；(2) 利用力电系统的相似性，建立起可联系系统的机械电压向量与机械电流向量的阻抗矩阵；(3) 运用电路网络理论并由阻抗矩阵建立等效电路；(4) 对等效电路进行操作使之符合给定的边界条件。 Roundy以微波炉工作时产生的振动作为振动驱动源，设计出了收集振动能的微型压电发电装置。2004年，Leland等设计出了自供能微型温度传感器节点，该悬臂梁尺寸为31.5mmxl2.7mmx0.51mm，固有频率只有27Hz，在共振情况下输出功率为29.3uw，并实现了对温度传感节点的连续供电。英国University of Southampton和法国TIMA Grenoble等微系统研究机构合作开展了微型压电悬臂梁发电装置的研究，实现自供能集成传感网络节点，他们所设计的系统完全利用微加工工艺实现了微型压电电源装置、储能元件、传感网节点等集成组装。国内上海交通大学、南京航空航天大学、吉林工业大学等近来也开展了关于压电振子发电的微型压电俘能系统的研究工作。
