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
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.
