МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 2, с. 120-135
МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ =
УДК 621.3.049.77.002.5
МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ © 2012 г. В. П. Драгунов, Д. И. Остертак
Новосибирский государственный технический университет E-mail: drag@adm.nstu.ru, ostertak@ngs.ru Поступила в редакцию 27.04.2011г.
Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований микроэлектромеханических преобразователей энергии на основе изменения геометрии плоского конденсатора. Рассмотрены особенности функционирования, состояние и перспективы развития микроэлектромеханических преобразователей энергии.
1. ВВЕДЕНИЕ
Современные достижения микроэлектроники и технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) привели к возможности создания беспроводных интеллектуальных сенсоров и беспроводных сенсорных сетей (БСС) с очень низким энергопотреблением [1, 2]. Более того, беспроводное оборудование становится символом прогресса [3, 4].
Для функционирования элементов БСС необходимы надежные автономные источники энергии. В настоящее время основными источниками энергии для беспроводных автономных устройств являются батареи и аккумуляторы, требующие периодического обслуживания, замены или под-заряда, что не всегда осуществимо из-за трудного доступа и большого количества узлов БСС. К тому же при функционировании БСС ее элементы находятся в состоянии ожидания (т.е. очень низкого потребления энергии) до 99% всего времени эксплуатации. При этом часто возникает ситуация, когда саморазряд батареи превышает среднее потребление энергии элементом БСС. Например, для Li-Ion батарей саморазряд составляет порядка 2—3% в месяц, для свинцово-кислотных аккумуляторов — 4—6% в месяц, для Ni-Cd - 15-20%, а для Ni-MH - даже до 30%.
Наиболее подходящей альтернативой традиционным батареям и аккумуляторам представляются источники питания, позволяющие извлекать (получать) энергию из окружающей среды непосредственно на месте функционирования [5-7]. Причем интерес к ним постоянно растет в связи с неуклонным уменьшением энергопотребления современными интегральными схемами.
В окружающей нас среде существуют различные источники энергии: солнечный свет, электромагнитное излучение, температурные градиенты, потоки воздуха и жидкостей, механические колебания и т.д. Поскольку механические колебания широко распространены во многих сферах человеческой деятельности [8-11] (см., например,
рис. 1), а технология изготовления электростатических МЭМС совместима с интегральной технологией, то наиболее универсальным решением данного вопроса представляется использование электростатических (емкостных) микроэлектромеханических преобразователей (МЭМП) энергии механических колебаний в электрическую энергию.
В тоже время анализ показывает, что полностью исключить использование традиционных источников питания, во многих случаях пока невозможно. Поэтому наиболее оптимальным решением проблемы автономного источника питания для БСС представляется сочетание устройства преобразующего энергию окружающей среды в электрическую энергию (источник восполнения и сбережения энергии) и компактной перезаряжаемой батареи (основной источник) [1, 2, 5, 12].
2. ПРИНЦИП РАБОТЫ МЭМП ЭНЕРГИИ
Принцип работы микроэлектромеханических емкостных преобразователей энергии, обеспечивающих преобразование энергии механических колебаний в электрическую энергию, основан на изменении заряда или напряжения на обкладках переменного конденсатора (рис. 2) при модуляции его емкости с помощью механических колебаний. За счет работы, совершаемой внешней механической силой, при изменении емкости переменного конденсатора, часть внешней механической энергии преобразуется в электрическую энергию.
Если изменение емкости конденсатора от Cmax до Cmin происходит при неизменном заряде q, то энергия конденсатора WC = q2 / (2C) и напряжение UC = q/C между его обкладками увеличиваются в
CmaxiCmin = m раз.
Если же емкость изменяется от Cmax до Cmin при постоянном напряжении UC = V0, то энергия конденсатора WC = CUc/2 и заряд q = UCC на его об-
/, Гц
/, Гц
Рис. 1. Типичные спектры амплитуд вибросмещения (а) и виброускорения (б) для окна, выходящего на оживленную улицу [8].
кладках в т раз уменьшатся. При этом часть внешней механической энергии пойдет на увеличение энергии основного источника и перенос заряда Аq = У0(Стах - Стп) в источник постоянного напряжения У0.
Можно выделить два типа микроэлектромеханических преобразователей механической энергии в электрическую: МЭМП с сохранением и с увеличением заряда.
В первом (МЭМП с сохранением заряда [8, 13— 31]), для увеличения промежутка времени между обслуживаниями основного источника, берется источник напряжения большей емкости, но на меньшее напряжение (для сохранения массогабаритных показателей), а увеличение напряжения до номинального получают за счет работы преобразователя; или, используют штатный источник напряжения, и периодически возвращают ему заряд (после совершения полезной работы), взятый на начальном этапе преобразования. В преобразователях данного типа количество заряда, отдаваемого в нагрузку или возвращаемое основному источнику, не превышает количество заряда, взятого из источника.
В преобразователях второго типа (МЭМП с увеличением заряда или МЭМ рекуператоры [12, 32— 35]) используется штатный источник напряжения, а увеличения промежутка времени между обслуживаниями добиваются за счет периодического подзаряда основного источника схемой рекуперации. В преобразователях данного типа количество заряда, возвращаемого основному источнику, превышает количество заряда, взятого из источника на начальном этапе преобразования.
Анализ показывает, что в любом случае желательно иметь максимальную глубину модуляции емкости т, т.е. отношения Стах/ Стп.
Рис. 2. Упрощенная схема механического узла МЭМС МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 41 № 2 2012
/ ? / , у у \
> .
(а)
(б)
Рис. 3. Модель МЭМС, используемая в расчетах, 1 — неподвижный электрод, 2 — подвижный электрод.
Изменения емкости конденсатора МЭМП можно добиться путем изменения межэлектродного зазора (рис. 3а), площади перекрытия электродов (рис. 3б) и эффективной диэлектрической проницаемости [16]. При этом последний вариант используется крайне редко и в первую оче-
редь, когда в качестве диэлектрика применяется жидкость.
В рамках модели идеального плоского конденсатора (ИПК) емкость конденсатора с двумя прямоугольными плоскопараллельными электродами
С =гфаЬ(1 -|х|/Ь) с (1 -|х|/Ь) = й (1 - у/й) - Со(1 - у/й)'
(1)
где б 0 — электрическая постоянная, е — диэлектрическая проницаемость среды между электродами, а и Ь — длина и ширина электрода соответственно, х и у величины смещения электродов относительно друг друга, вдоль соответствующей оси координат.
Согласно (1) при неизменном зазоре(у = 0) и изменении перекрытия электродов х от 0 до Ь емкость конденсатора будет изменяться от Стах = С0 до Ст;п = 0, а при х = 0 и изменении межэлектродного зазора у от -й до +й емкость конденсатора будет изменяться от Ст;п = 0.5С0 до Стах ^ да, т.е. в любом случае глубина модуляции емкости Стах/Ст;п должна неограниченно возрастать, а,
значит, при проектировании МЭМП можно использовать любое подходящее значение отношения Стах/ Ст;п от 0 до да. Именно из этого положения и исходят авторы большинства исследований при оценке достижимых параметров МЭМП.
Так как требования к МЭМП первого и второго типа существенно различаются, рассмотрим их по отдельности.
3. МЭМП С СОХРАНЕНИЕМ ЗАРЯДА
Можно предложить следующую классификацию первого типа преобразователей механической энергии в электрическую:
Ь
Рис. 4. Электрическая схема МЭМП с параллельным включением компонентов.
Согласно приведенной схеме МЭМП с сохранением заряда в первую очередь можно подразделить на одноконденсаторные и двухконденсатор-ные по количеству конденсаторов, используемых в процессе преобразования.
Vc
^0
qmax q
Рис. 5. Связь между зарядом и напряжением переменного конденсатора в МЭМП с параллельным включением компонентов.
0
3.1. Одноконденсаторные МЭМП
На рис. 4 приведена электрическая схема одно-конденсаторного преобразователя с параллельным включением компонентов. Данный преобразователь содержит основной источник напряжения У0, переменный конденсатор С, нагрузку Я и два ключа Sw1 и Sw2. Под действием внешней механической силы емкость переменного конденсатора может изменяться от Ст1п до Стах и обратно.
Если в момент достижения максимальной емкости конденсатор подключить к основному источнику напряжения (замкнув ключ 5Ц), то через небольшой промежуток времени напряжение на конденсаторе достигнет У0, а запасенная энергия
значения ЖС т[п = СтахК02/2. При этом на этапе заряда конденсатора от основного источника будут
взяты энергия Ж0 = СтахК02 и заряд А q = СтахК.
Преобразование механической энергии в электрическую в данной схеме будет иметь место при уменьшении емкости конденсатора от Стах до Ст1п (при разомкнутых Sw1 и Sw2) за счет внешней механической силы.
Если теперь, в момент достижения минимальной емкости, конденсатор С подключить (замыканием ключа Sw2) к нагрузке, то энергия
ЖС,тах = mWc тп, накопленная к концу цикла преобразования, может быть передана в нагрузку. После этого при разомкнутом ключе Sw2 за счет внешней силы и/или возвращающей силы упругого подвеса подвижного электрода емкость конденсатора должна быть увеличена до Стах. На этом цикл преобразования заканчивается.
Связь между зарядом и напряжением переменного конденсатора в МЭМП с параллельным включением компонентов иллюстрирует рис. 5. На этапе заряда конденсатора от основного источника зависимость напряжения от заряда на электродах конденсатора будет соответствовать прямой 0Л (с коэффициентом пропорциональности 1/ Стах). Затем, при уменьшении емкости конденсатора от Стах до Ст1п (при разомкнутых Sw1 и Sw2) за счет внешней механической силы, напряжение на электродах конденсатора будет изменяться в соответствии с прямой ЛБ, а при разряде на Я нагрузки, в соответствии с прямой Б0 (с коэффициентом пропорциональности 1/ Ст[п).
Рис. 5 позволяет установить и энергетическ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.