同位素辐射能量致动的MEMS能量收集器的研究

摘要

针对目前无线传感网络节点对长寿命、低成本微能源的需求，本文提出了将同位素辐射能量转换为电能的两种转化原理。它们分别为:静电式辐射能量收集原理和压电式辐射能量收集原理。静电式辐射能量收集原理是利用同位素镍-63贝塔辐射能实现平行板悬浮-质量块结构的自由阻尼振动，并通过可变电容电路实现充-放电振荡循环从而实现电能的转换;压电式辐射能量收集原理同样是利用同位素镍-63贝塔辐射能实现悬臂梁-质量块结构的自由阻尼振动，并通过压电材料的正压电效应产生电势差，通过外部电路实现循环放电。首先，针对静电式收集原理设计了直臂悬臂梁结构;针对压电式收集原理设计了L形悬臂梁结构。然后，分别分析两种原理中的运动状态和能量转化过程，给出了设计结构的运动状态和能量输出方程，并使用Matlab/Simulink对输出特性进行了数值模拟和基于Ansys的结构优化设计。仿真结果表明本文所设计的静电式收集结构在—阶固有频率为500Hz，两极板间距离为75μm，外接电阻为84kΩ时平均输出功率最大为0.416μW,转化效率为8.25％;而压电式收集结构在臂梁厚度Tsi=30μn，质量块长度Lm=5658μm，质量块厚度为507μm，外接电阻R=915.6Ω时平均输出功率为:P=6.955μW，输出电压为U=0.05123v。最后，根据MEMS加工工艺对静电式辐射能量收集器件的加工工艺进行了探究。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 同位素辐射能量收集器的转换机制

1．2．1 直接能量转换

1．2．2 非直接能量转换

1．3 本文的研究内容

第2章 同位素辐射能量收集器的工作原理

2．1 引言

2．2 同位素辐射源的选择

2．2．1 同位素衰变方式

2．2．2 同位素的衰变规律

2．2．3 同位素辐射源的选择原则

2．2．4 辐射源63Ni的衰变规律及能谱

2．3 同位素能量收集器的工作原理

2．3．1 β粒子的电荷收集原理

2．3．2 β粒子的动能收集原理

2．3．3 β粒子的势能收集原理

2．4 小结

第3章 同位素辐射能量收集器的理论模型及其结构设计

3．1 引言

3．2 同位素辐射能量收集器理论模型的建立

3．2．1 振动-机械能转化模型

3．2．2 辐射模型

3．2．3 静电式同位素辐射能量收集模型

3．2．4 压电式同位素辐射能量收集模型

3．3 同位素辐射能量收集器的结构设计

3．3．1 静电式同位素辐射能量收集器结构设计

3．3．2 压电式同位素辐射能量收集器结构设计

3．3．3 结构的机械阻尼与系统的机械品质因素

3．4 小结

第4章 同位素辐射能量收集器的仿真模拟

4．1 引言

4．2 ANSYS静力分析及模态分析

4．2．1 有限元软件介绍

4．2．2 有限元分析流程

4．2．3 静电式同位素辐射能量采集器的结构仿真

4．2．4 压电式同位素辐射能量采集器的结构仿真

4．3 Matlab／SIMULINK模拟分析

4．3．1 静电式同位素辐射能量采集器的性能仿真

4．3．2 压电式同位素辐射能量采集器的性能仿真

4．4 小结

第5章 同位素辐射能量收集器的MEMS工艺设计

5．1 引言

5．2 基本工艺介绍

5．2．1 氧化工艺介绍

5．2．2 光刻工艺介绍

5．2．3 剥离工艺介绍

5．3 静电式同位素辐射能量采集置的加工工艺流程设计

5．3．1 中层SOI片工艺流程

5．3．2 上、下玻璃片工艺流程

5．3．3 键合及加工中所用到的掩膜板

5．4 小结

第6章 总结与展望

参考文献

附录

致谢

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