Драгунов Валерий Павлович,
Васюков Василий Николаевич,
Доржиев Виталий Юрьевич
Аннотация
В данной статье развита математическая модель и проведено моделирование работы одно-конденсаторного электростатического микроэлектромеханического преобразователя энергии механических колебаний в электрическую. Анализировался преобразователь с последовательным включением компонентов. В качестве переменного конденсатора рассматривалась МЭМС с плоскопараллельными электродами и с изменением межэлектродного зазора вне плоскости устройства. При создании модели преобразователя задача о перемещении подвижного электрода была сведена к задаче о колебаниях балочки с заделанными концами и сосредоточенной массой. Получены выражения, позволяющие по экспериментальным данным рассчитать зависимости от времени изменения заряда на обкладках переменного конденсатора и смещения его подвижного электрода. Для проверки адекватности созданной модели и корректности сделанных допущений проведено сопоставление результатов моделирования с результатами эксперимента, в котором использовался микроэлектромеханический конденсатор, изготовленный с использованием технологий микроэлектроники из (100) Si. Представлены результаты исследования эффективности работы преобразователя на разных частотах и при воздействии случайной вибрации, имеющей характер шума, белого в полосе частот 0…100 Гц. Сопоставление показало, что результаты моделирования отражают основные особенности эксперимента как при детерминированных, так и при случайных колебаниях и могут быть использованы на этапе предварительного проектирования.
Ключевые слова: МЭМС, механические колебания, широкополосная случайная вибрация, преобразование энергии, периодограмма
Авторы:
Драгунов Валерий Павлович
родился в 1947 году, д-р. техн. наук, доцент, профессор кафедры ППиМЭ Новосибирского государственного технического университета. Область научных интересов: наноэлектроника,
физика низкоразмерных структур, нано- и микросистемная техника. Опубликовано более 140 научных работ. (Адрес: 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20. E-mail: drag@adm.nstu.ru).
Васюков Василий Николаевич
родился в 1951 году, д-р техн. наук,
профессор, заведующий отделом научных исследований Новосибирского
государственного технического университета. Область научных интересов: цифровая обработка и статистический анализ сигналов и изображений. Опубликовано 120 научных работ. (Адрес: 630073, Россия,
г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20. E-mail: vasyukov_vn@ngs.ru,
vasyukov@corp.nstu.ru).
Доржиев Виталий Юрьевич
родился в 1988 году, аспирант кафедры
ППиМЭ Новосибирского государственного технического университета. Область научных интересов: нано- и микросистемная техника. Опубликовано более 15 научных работ. (Адрес: 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20. E-mail: b.dorzhiev@gmail.com, dorzhiev@corp.nstu.ru).
Список литературы
- Roundy S., Wright P.K., Rabaey J. A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes // Computer Communications. – 2003. – Vol. 26, iss. 11. – P. 1131–1144. – doi: 10.1016/S0140-3664(02)00248-7.
- Electret-free micromachined silicon electrostatic vibration energy harvester with the Bennet's doubler as conditioning circuit / V. Dorzhiev, A. Karami, P. Basset, F. Marty, V. Dragunov, D. Galayko // IEEE Electron Device Letters. – 2015. – Vol. 36, iss. 2. – P. 183–185. – doi: 10.1109/LED.2014.2387213.
- Chiu Y., Lee Y.-C. Flat and robust out-of-plane vibrational electret energy harvester // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2013. – Vol. 23, no. 1. – P. 015012/1–015012/8. – doi: 10.1088/0960-1317/23/1/015012.
- Фадеев С.И., Косцов Э.Г., Пиманов Д.О. Численное исследование математических моделей микроэлектромеханических резонаторов разного типа // Сибирский журнал индустриальной математики. – 2014. – Т. 17, № 4. – C. 120–135.
- Драгунов В.П., Драгунова Е.В. Особенности функционирования МЭМ систем // Нано- и микросистемная техника. – 2015. – № 6 (179). – С. 43–52.
- Драгунов В.П., Доржиев В.Ю. Трехэлектродная двухконденсаторная МЭМС со встроенным зарядом // Нано- и микросистемная техника. – 2014. – № 2. – С. 33–38.
- Филиппов А.П. Колебания деформируемых систем. – М.: Машиностроение, 1970. – 736 с.
- Драгунов В.П., Остертак Д.И. Электростатические взаимодействия в МЭМС с плоскопараллельными электродами. Ч. 2. Расчет электростатических сил // Нано- и микросистемная техника. – 2010. – № 8. – С. 40–47.
