ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ISSN: 1727-2769
English | Русский

Последний выпуск
№3(40) июль-сентябрь 2018

МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ДУПЛИКАТОРА БЕННЕТА С ОДНИМ ПЕРЕМЕННЫМ КОНДЕНСАТОРОМ

Выпуск № 2-3 (23-24) апрель-сентябрь 2014
Авторы:

Драгунов Валерий Павлович,
Галайко Дмитрий Юрьевич,
Доржиев Виталий Юрьевич,
Бассэ Филипп
Аннотация
В связи с развитием беспроводных технологий и тенденцией к миниатюризации обостряется проблема ограниченного ресурса применяемых в настоящее время автономных ис-точников питания для микроэлектронных устройств – батарей и аккумуляторов. Одним из перспективных решений данной проблемы представляется подзаряд компактного аккуму-лятора с помощью электростатического микроэлектромеханического преобразователя энергии механических колебаний, присутствующих в окружающей среде. Основным недо-статком большинства описанных в литературе преобразователей, ограничивающих их применение, является наличие в их составе переключателей со схемами управления, по-требляющими значительную энергию, и труднореализуемых в рамках интегральной техно-логии индуктивных элементов. В данной статье проводится анализ работы микроэлектро-механического преобразователя, лишенного данного недостатка. Определены параметры, необходимые для передачи преобразованной энергии механических колебаний в источник питания. Получены аналитические выражения, позволяющие оценить энергию, передавае-мую в источник питания за один цикл преобразования. Передаваемую энергию можно уве-личить путем увеличения напряжения источника питания, однако увеличение напряжения может привести к схлопыванию электродов переменного конденсатора. Проведен анализ условий, при которых проявляется эффект схлопывания электродов переменного конден-сатора со встречно-штыревой конструкцией электродов с учетом начального смещения и скорости подвижного электрода. Представлены результаты экспериментальных исследова-ний, в которых средний ток подзаряда источника питания составил 0,134 мкА. 
Ключевые слова: МЭМС, эффект схлопывания, преобразование энергии, равновесное состояние, микромеханический конденсатор, начальные условия

Список литературы
  1. Yen B.C., Lang J.H. A variable-capacitance vibration-to-electric energy harvester // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. – 2006. – Vol. 53, iss. 2. – P. 288–295. 
  2. A batch-fabricated and electretfree silicon electrostatic vibration energy harvester / P. Basset, D. Galayko, A.M. Paracha, F. Marty, A. Dudka, T. Bourouina // Journal of Mi-cromechanics and Microengineering. – 2009. – Vol. 19, № 11 (115025). – P. 1–12. 
  3. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Архитектура и анализ схем МЭМ рекуператоров электрической энергии // Нано- и микросистемная техника. – 2011. – № 4. – С. 49–54. 
  4. Драгунов В.П., Доржиев В.Ю. МЭМ рекуператоры без разрыва цепи, содержащей индуктивный элемент // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федера-ции. – 2011. – № 2 (17). – С. 92–101. 
  5. de Queiroz A.C.M. Electrostatic vibrational energy harvesting using a variation of Bennet’s doubler // 53rd IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), WA, Seattle, 1-4 Aug. 2010. – P. 404–407. 
  6. de Queiroz A.C.M., Domingues M. The doubler of electricity used as battery charger // IEEE Transactions on Circuits and Systems – II: Express Briefs. – 2011. – Vol. 58, iss. 12. – P. 797–801. 
  7. Драгунов В.П., Доржиев В.Ю. Микроэлектромеханический генератор на основе дупликатора Беннета // Нано- и микросистемная техника. – 2012. – № 11. – С. 39–42. 
  8. Combined optimization of electrical and mechanical parameters of an out-of-plane gap-closing electrostatic Vibration Energy Harvester (VEH) / R. Guillemet, P. Basset, D. Galay-ko, T. Bourouina // Symposium on Design Test Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP), Seville, Spain, 5–7 May 2010. – P. 73–78. 
  9. Драгунов В.П., Доржиев В.Ю. Анализ влияния pull-in эффекта на параметры трехэлектродных МЭМС // Доклады Академии наук высшей школы Российской Феде-рации. – 2013. – № 2 (21). – С. 87–97. 
  10. Pull-in voltage analysis of electrostatically actuated beam structures with fixed–fixed and fixed–free end conditions / S. Pamidighantam R. Puers, K. Baert, H.A.C. Tilmans // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2002. – Vol. 12, № 4. – P. 458–464. 
  11. Electrical stability of a MEMS-based AC voltage reference / A. Karkkainen, N. Nisnek, A. Manninen, N. Pesonen // Sensors and Actuators A: Physical. – 2007. – Vol. 137, iss. 1. – P. 169–174.
  12. Characterization of carbon nanotube nanoswitches with gigahertz resonance frequency and low pull-in voltages using electrostatic force macroscopy / M. Lu, X. Lu, M-W. Jang, S. Campbell, T. Cui // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2010. – Vol. 20, № 10. – P. 105016–105023. 
  13. Драгунов В.П. Нелинейная модель упругого элемента микроэлектромеханических систем // Нано- и микросистемная техника. – 2004. – № 6. – С. 19–24. 
  14. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Расчет латеральной составляющей электростатической силы в МЭМС // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. – 2009. – № 1 (34). – С. 229–233. 
  15. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Электростатические взаимодействия в МЭМС с плоскопараллельными электродами. Ч. II. Расчет электростатических сил // Нано- и микросистемная техника. – 2010. – № 8. – С. 40–47. 
  16. Electrostatic vibration energy harvester with combined effect of electrical nonlinearities and mechanical impact / P. Basset, D. Galayko, F. Cottone, R. Guillemet, E. Blokhina, F. Marty, T. Bourouina // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2014. – Vol. 24, № 3. – P. 1–14. 
  17. Electrostatic force coupling of MEMS oscillators for spectral vibration measurements / R. Forke, D. Scheibner, J.E. Mehner, T. Gessner, W. Dotzel // Sensors and Actuators A: Physical. – 2008. – Vol. 142, iss. 1. – P. 276–283. 
  18. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Предельные характеристики микроэлектромеханических преобразователей энергии // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. – 2009. – № 1 (34). – С. 129–142. 
  19. Dynamics of damped cantilevers / S. Rast, C. Wattinger, U. Gysin, E. Meyr // Review of Scientific Instruments. – 2000. – Vol. 71, iss. 7. – P. 2772–2775. 
  20. Quality factors in micron- and submicronthick cantilevers / K.Y. Yasumara, T.D. Stowe, E.M. Chow, T. Pfafman, T.W. Kenny, B.C. Stipe, D. Rugar // Journal of Microelectrome-chanical Systems. – 2000. – Vol. 9, iss. 1. – P. 117–125. 
  21. Драгунов В.П. Нелинейность упругих элементов микромеханических систем // Нано- и микросистемная техника. – 2004. – № 5. – С. 7–13. 
  22. Драгунов В.П. Нелинейная динамическая модель упругого элемента микромеха-нических систем // Нано- и микросистемная техника. – 2004. – № 10. – С. 23–29. 
  23. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. – М.: Наука, 1981. – 568 с. 
Просмотров: 1129