ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Print ISSN: 1727-2769    Online ISSN: 2658-3747
English | Русский

Последний выпуск
№3(40) июль-сентябрь 2018

ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕМЕННОГО КОНДЕНСАТОРА ГРЕБЕНЧАТОГО ТИПА ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

Выпуск № 1 (26) январь-март 2015
Авторы:

Блум Кирилл Евгеньевич,
Остертак Дмитрий Иванович
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1727-2769-2015-1-20-30
Аннотация
Совокупность достижений в микроэлектронике, микросистемной технике и радиотехнике в настоящее время позволяет создавать беспроводные сенсорные сети (БСС), состоящие из множества датчиков и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Для работы узлов БСС необходимы надежные автономные источники питания, традиционные же батареи и аккумуляторы требуют периодической замены или подзарядки, что не всегда осуществимо из-за труднодоступности узлов БСС и их большого числа. Источники питания, позволяющие извлекать энергию из окружающей среды непосредственно на месте функционирования узлов БСС, являются наиболее привлекательной альтернативой батареям и аккумуляторам. Вследствие распространенности и доступности источников механических колебаний, а также совместимости процессов интегральной технологии и технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) наиболее подходящим является использование емкостных (электростатических) микроэлектромеханических преобразователей (МЭМП) (генераторов) механической энергии в электрическую. Принцип их действия основан на изменении заряда или напряжения на обкладках переменного конденсатора при модуляции его емкости с помощью механических колебаний. В работе исследуются зависимости отношения максимальной и минимальной емкостей гребенчатого переменного конденсатора от геометрических параметров электродов. С помощью пакета ANSYS проводится моделирование конструкции исследуемого переменного конденсатора с изменением площади перекрытия электродов с различной шириной пальцев и толщиной электродов. Анализ показывает, что полученные зависимости емкости от смещения состоят из системы максимумов и минимумов, положение которых меняется при изменении ширины пальцев и толщины электродов. Установлено, что максимум отношения между максимальной и минимальной емкостью, определенный при малой толщине электродов, с ее ростом смещается в сторону меньших ширин пальцев. Показано, что без существенного изменения размеров переменного конденсатора можно добиться увеличения выходной мощности МЭМП энергии более чем в 2 раза.
Ключевые слова: электрическая ёмкость, генератор энергии, гребенчатый переменный конденсатор, микроэлектромеханический преобразователь, краевые эффекты

Список литературы
  1. Современные тенденции развития микросистемной техники / В.Д. Вернер, П.П. Мальцев, А.А. Резнев, А.Н. Сауров, Ю.А. Чаплыгин // Нано- и микросистемная техника. – 2008. – № 8. – С. 2–6. 
  2. Energy scavenging for long-term deployable wireless sensor networks / C.Ó. Mathúna, T. O’Donnell, R.V. Martinez-Catalá, J. Rohan, B. O’Flynn // Talanta. – 2008. – Vol. 75. – P. 613–623. – doi: 10.1016/j.talanta.2007.12.021. 
  3. Micropower energy harvesting / R.J.M. Vullers, R. van Schaijk, I. Doms, C. van Hoof, R. Mertens // Solid-State Electronics. – 2009. – Vol. 53, iss. 7. – P. 684–693. –doi: 10.1016/j.sse.2008.12.011. 
  4. Paradiso J.A., Starner T. Energy scavenging for mobile and wireless electronics // IEEE Pervasive Computing. – 2005. – Vol. 4, iss. 1. – P. 18–27. – doi: 10.1109/MPRV.2005.9. 
  5. Power sources for wireless sensor networks / S. Roundy, D. Steingart, L. Frechette, P. Wright, J. Rabaey // Lecture Notes in Computer Science. – 2004. – Vol. 2920. – P. 1–17. – doi: 10.1007/978-3-540-24606-01. 
  6. Beeby S.P., Tudor M.J., White N.M. Energy harvesting vibration sources for microsystems applications // Measurement Science and Technology. – 2006. – Vol. 17, iss. 12. – P. 175–195. – doi: 10.1088/0957-0233/17/12/R01. 
  7. Energy harvesting from human and machine motion for wireless electronic devices / P.D. Mitcheson, E.M. Yeatman, G.K. Rao, A.S. Holmes, T.C. Green // Proceedings of the IEEE. – 2008. – Vol. 96, iss. 9. – P. 1457–1486. – doi: 10.1109/JPROC.2008.927494. 
  8. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Микроэлектромеханические преобразователи // Мик-роэлектроника. – 2012. – Т. 41, № 2. – С. 120–135. 
  9. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Предельные характеристики микроэлектромеханических преобразователей энергии // Научный вестник НГТУ. – 2009. – № 1 (34). – С. 129–141. 
  10. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Анализ эффективности использования 2D-модуляции емкости в МЭМП с последовательной схемой включения компонентов // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2010. – № 2 (15). – С. 45–53.
  11. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Электростатические взаимодействия в МЭМС со встречноштыревой структурой // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2009. – № 1 (12). – С. 99–106. 
  12. Драгунов В.П., Колчужин В.А., Остертак Д.И. Влияние краевых эффектов на электрическую емкость в МЭМС // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2009. – № 2 (13). – С. 97–105.
Просмотров: 718