Аннотация
В процессе разработки электростатических микрогенераторов энергии измерения выходных характеристик опытных образцов показали, что наблюдается разброс выходного напряжения микрогенераторов в диапазоне от 3 до 18 В. Поскольку основной элемент преобразователя – переменный конденсатор – изготавливался с использованием интегральных технологий в одинаковых условиях, столь большие разбросы выходного напряжения трудно объяснимы.
В данной статье проведено теоретическое и экспериментальное исследование электростатическихмикрогенераторов энергии. Установлено, что основными факторами, влияющими на разброс выходного напряжения микрогенератора, являются разброс жесткости кремниевыхбалочек вибрационного элемента и различная глубина модуляции емкости переменного конденсатора. Предложена методика, позволяющая определить жесткость кремниевых балочек на полностью собранных преобразователях путем нагружения подвижного электрода дополнительной массой и измерения емкости переменного конденсатора, соответствующей каждому шагу нагружения. В результате было установлено, что разброс жесткости балочек составляет 10 %, который может быть обусловлен 3 %-м разбросом толщины кремниевых балочек вибрационного элемента. Обнаружено наличие микрочастиц на поверхности нижнего электрода, ограничивающее смещение подвижного электрода и не позволяющее добиться максимальной модуляции емкости. Выяснено, что для минимизации разброса выходного напряжения в партии микрогенераторов необходимо повысить точность контроля толщины балочек при изготовлении вибрационного элемента; обеспечить высокий класс чистоты помещения, в котором производятся сборочные операции; осуществлять более тщательный контроль процесса сборки микрогенераторов. Предложено оптимизировать эффективность работы микрогенератора с помощью индивидуального подбора массы подвижного электрода. Данная методика позволяет увеличить эффективность работы почти в два раза.
Ключевые слова: электростатический микрогенератор энергии, переменный конденсатор, подвижный электрод, неподвижный электрод, жесткость балочек, емкость переменного конденсатора, вибрационный элемент, разброс выходного напряжения
В.П. ДРАГУНОВ
630073, РФ, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, доктор технических наук, профессор кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники. E-mail:
drag@adm.nstu.ru
Orcid:
Д.И. ЛОЙКО
630073, РФ, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, магистрант кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники. E-mail:
the_strongest_1994@mail.ru
Orcid:
Список литературы
1. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Микроэлектромеханические преобразователи // Микроэлектроника. – 2012. – Т. 41, № 2. – С. 120–135.
2. Багинский И.Л., Косцов Э.Г., Соколов А.А. Электростатические микрогенераторы энергии с высокой удельной мощностью // Автометрия. – 2010. – Т. 46, № 6. – С. 90–105.
3. Багинский И.Л., Косцов Э.Г. Анализ возможности создания микроэлектронного электростатического генератора энергии // Автометрия. – 2002. – № 1. – С. 107–122.
4. Багинский И.Л., Камышлов В.Ф., Косцов Э.Г. Исследование особенностей функционирования двухконденсаторного электростатического генератора // Автометрия. – 2011. – Т. 47, № 6. – С. 100–120.
5. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Электростатические взаимодействия в МЭМП со встречно-штырьевой структурой // Доклады АН ВШ РФ. – 2009. – № 1 (12). – С. 99–106.
6. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Электростатический микроэлектромеханический преобразователь с последовательной схемой включения компонентов // Нано- и микросистемная техника. – 2010. – № 6 (119). – С. 37–43.
7. Драгунов В.П., Доржиев В.Ю. Оптимизация микроэлектромеханическо-го генератора с параллельным включением элементов // Сборник научных трудов НГТУ. – 2013. – № 1 (71). – С. 46–51.
8. Доржиев В.Ю., Драгунов В.П., Остертак Д.И. Расчет емкости МЭМС в 2D-приближении // Сборник научных трудов НГТУ. – 2010. – № 4 (62). – С. 73–80.
9. Драгунов В.П., Доржиев В.Ю. Микроэлектромеханический генератор на основе дупликатора Беннета // Нано- и микросистемная техника. – 2012. – № 11 (148). – С. 39–42.
10. Остертак Д.И. Разработка теоретических основ и методики проектирования электростатических МЭМП механической энергии в электрическую: дис. … канд. техн. наук: 05.27.01. – Новосибирск, 2009. – 209 с.
11. Блум К.Е. Исследование режимов работы и конструктивных особенностей МЭМ преобразователя энергии с изменением площади перекрытия электродов: дис. … магистра техники и технологии: 210100.68. – Новосибирск, 2012. – 84 с.
12. Гольцова М. МЭМС-устройства аккумулирования энергии // Электроника: НТБ. – 2013. – № 7. – С. 117–126.
13. Драгунов В.П., Косцов Э.Г. Особенности функционирования электростатических микрогенераторов энергии // Автометрия. – 2009. – Т. 45, № 3. – С. 62–73.
14. Аш Ж. Датчики измерительных систем. Кн. 2. – М.: Мир, 1992. – 419 с.
15. Мухуров Н.И., Ефремов Г.И., Жвавый С.П. Упругие элементы в микроэлектромеханических системах // Нано- и микросистемная техника. – 2008. – № 12 (101). – С. 12–22.
Просмотров аннотации: 2066
Скачиваний полного текста: 1170
Просмотров интерактивной версии: 0
