基于驻极体的振动式静电微型发电机研究

论文摘要

微电源是MEMS技术最重要的研究方向之一,是近年来世界各国研究的热点。本论文针对某些分布式系统、无线通信、交通、航空航天、战地侦查、灵巧炸弹等对微能源的迫切需求,在国家“863”MEMS重大专项的支持下,研究一种在理论上可以无限期使用的将外界环境振动能转换为电能的振动式静电微型发电机,具有重要的理论意义和迫切的应用需求。论文分析了MEMS微型发电机的发展现状,研究分析了基于电磁、静电和压电等原理的振动式微型发电机的结构、工作原理、性能和关键加工技术特点。依据静电感应原理和薄膜驻极体储存电荷的性能,提出了基于驻极体的振动式静电微型发电机的研究方案;研究了基于驻极体的振动式静电微型发电机和薄膜驻极体的相关理论与加工方法,研制出了基于SiO2/Si3N4驻极体和有机薄膜驻极体的MEMS振动式微型发电机系统的实验样品。主要研究工作是:1、深入分析了与MEMS振动式静电微型发电机理论模型相关的基础知识。对基于平面差分电容和可变电容的两种振动式静电微型发电机的总体结构和工作原理进行分析,建立理论模型,进行相应的模拟仿真。2、研究微型化驻极体的制备工艺,根据驻极体材料的充电原理和热处理等对驻极体的影响,对驻极体材料进行大量实验研究,分析其表面电位大小和稳定性,获得了优化的充电条件。3、研究了振动式静电微型发电机关键加工技术,包括基于SiO2/Si3N4双层无机驻极体的微型发电机制备工艺技术和封装技术等。4、研制出基于SiO2/Si3N4驻极体和有机薄膜驻极体的MEMS振动式微型发电机系统的实验样品,进行了MEMS微型发电机系统测试,并进行了性能分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 振动式电磁微型发电机
• 1.2.2 振动式压电微型发电机
• 1.2.3 振动式静电微型发电机
• 1.3 研究的目的和主要内容
• 1.3.1 研究的目的
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 振动式静电微型发电机的理论模型
• 2.1 引言
• 2.2 振动式静电微型发电机的工作原理和结构设计
• 2.2.1 基于平面差分电容器的振动式静电微型发电机
• 2.2.2 基于可变电容的振动式静电微型发电机
• 2.2.3 谐振系统的结构稳态力学响应分析
• 2.3 本章小结
• 3 驻极体的制备方法
• 3.1 引言
• 3.2 驻极体简介
• 3.3 驻极体充电的相关理论
• 3.3.1 充电原理
• 3.3.2 热处理和HMDS 化学表面修饰对驻极体电荷稳定性的影响
• 3.4 微型化驻极体的电晕充电法
• 3.4.1 电晕充电法理论分析
• 3.4.2 电晕充电法实验平台
• 3.4.3 针尖电场分布的计算机模拟
• 3.4.4 微型化Teflon 驻极体电晕充电实验
• 2/Si₃N₄ 薄膜驻极体电晕充电实验'>3.4.5 微型化SiO₂/Si₃N₄薄膜驻极体电晕充电实验
• 3.5 微型化驻极体的电击穿充电法
• 3.6 微型化驻极体的液体接触充电法
• 3.7 三种充电方法的对比分析
• 3.8 本章小结
• 4 微型静电式振动式发电机的制备、封装和测试
• 4.1 引言
• 4.2 采用无机驻极体的振动式静电微型发电机加工工艺及其封装测试
• 2/Si₃N₄ 双层无机驻极体的振动式静电微型发电机制备工艺技术'>4.2.1 采用 SiO₂/Si₃N₄双层无机驻极体的振动式静电微型发电机制备工艺技术
• 4.2.2 振动式静电微型发电机的封装
• 4.2.3 振动式静电微型发电机样机的性能测试
• 4.3 采用有机驻极体的振动式静电微型发电机加工工艺及其封装测试
• 4.4 本章小结
• 5 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录