Разработка теоретических основ и методики проектирования электростатических МЭМП механической энергии в электрическую

• Автор: Остертак, Дмитрий Иванович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 209 с. : ил.

1.1. Анализ потребности в автономных источниках питания.

1.2. Основные виды источников энергии.

1.2.1. Солнечная энергия

1.2.2. Электромагнитное излучение.

1.2.3. Тепловая энергия.

1.2.4. Потоки текучих сред

1.2.5. Механические колебания вибрации

1.2.6. Другие виды источников механической энергии

1.2.7. Энергия, порождаемая в процессе жизнедеятельности

1.3. Источники механических колебаний.

1.4. Обобщнная модель преобразователя

1.5. Способы преобразования механической энергии в электрическую
1.5.1. Электромагнитные индуктивные преобразователи энергии.
1.5.2. Пьезоэлектрические преобразователи энергии.
1.5.3. Электростатические емкостные преобразователи энергии.
1.6. Электростатические преобразователи энергии.
1.6.1. Особенности функционирования.
1.6.2. Конструкции электростатических преобразователей
1.6.3. Особенности проектирования упругих элементов.
1.6.4. Технология изготовления
1.7. Анализ характеристик электростатических генераторов
1.8. Постановка задачи
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МКОСТЕЙ И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ СИЛВМЭМС.
2.1. Методика расчета.
2.1.1. Общие сведения.
2.1.2. Выбор числа разбиений
2.2. Распределение зарядов по электродам
2.2.1. Двухэлектродная структура
2.2.2. Трхэлектродная структура
2.2.3. Четырхэлектродная структура.
2.3. мкости и силы в плоскопараллельных МЭМС.
2.3.1. Результаты расчтов и эксперимента.
2.3.2. Влияние краевых эффектов на электрическую мкость
2.3.3. Влияние краевых эффектов на электростатические силы
2.4. Влияние числа электродов на мкости и силы в плоскопараллельных МЭМС
2.4.1. Электрическая мкость
2.4.2. Электростатическая сила при постоянном напряжении
2.4.3. Электростатическая сила при постоянном заряде
2.5. Влияние шероховатости поверхности на электрическую мкость
2.6. Заключение к Главе 2.
ГЛАВА 3. МЭМП С ОДНИМ ПЕРЕМЕННЫМ КОНДЕНСАТОРОМ
3.1. Моделирование МЭМП с параллельным включением переменного конденсатора и нагрузки.
3.1.1. Базовая модель одноконденсаторного МЭМП с изменяющейся площадью перекрытия электродов
3.1.2. Учт краевых эффектов
3.1.3. Учт мкости нагрузки.
3.1.4. Оценка предельных параметров одноконденсаторных МЭМП с изменением межэлектродного зазора
3.1.5. Оценка предельных параметров одноконденсаторных МЭМП с изменением межэлектродного зазора с учтом краевых эффектов
3.2. Моделирование МЭМП с последовательным включением переменного конденсатора и нагрузки
3.2.1. Базовая модель МЭМП с изменяющейся площадью перекрытия электродов.
3.2.2. Учт краевых эффектов и емкостной составляющей нагрузки
3.2.3. Анализ экспериментальных результатов
3.2.4. Режим без коммутации
ВВЕДЕНИЕ


Кроме того, выходная мощность солнечных элементов напрямую зависит от их площади, т. Ряд исследований были сосредоточены на использовании электромагнитного излучения в качестве источника энергии. Впервую очередь это касается использования радиочастотного излучения. Так в описаны идентификационные этикетки, которые получают и хранят энергию от запрашивающей радиочастотной волны. Затем эта энергия используется для передачи серийного номера обратно в запрашивающее устройство. Уровни энергии в данной технологии могут быть достаточно высокими, но это требует наличия полей с высокой плотностью энергии, что представляет повышенный риск для человека. Альтернативой применению энергии радиочастотного излучения является использование взаимодействия с магнитными полями. Данная технология использовалась для перезарядки батарей кардиостимулятора без проведения инвазионных процедур. Она также применяется в телефонных смарткартах, где данные с карты считываются при помощи магнитных полей создаваемых в слоте, в который устанавливается эта карта . Энергия магнитного поля используется как для электропитания считывающей цепи в картах, так и для формирования канала связи между картой и телефоном. Опять же, это требует наличия дополнительного поля, поскольку уровни энергии окружающего поля слишком низкие. Электрическая энергия может быть также получена из перепадов температуры в окружающей среде. Наиболее широкоприменяемый метод преобразования тепловой энергии в электрическую это использование термоэлектрических генераторов на основе термоэлектрического эффекта. В работе показано, что максимальная выходная мощность получаемая от устройства площадью 1 см2 и разностью температур С составляет около мВт, т. Авторами был продемонстрирован термоэлектрический
микрогенератор способный вырабатывать мощность около мкВтсм при температурной разности С. Как и для солнечных элементов, для эффективной работы термоэлектрических генераторов требуются определнные условия, с уменьшением разности температур выходная мощность уменьшается квадратично. Для получения высокой разности потенциалов и выходной мощности необходимы большие тем
пературные градиенты, однако, разность температур С в пределах 1 см встречается крайне редко, особенно в микросистемах, что является основным ограничивающим фактором для использования этого источника энергии. Ветряные мельницы являются одним из древнейших источников энергии. Миниатюрная ветряная мельница или пропеллер, погруженный в жидкость может вращать турбину генератора для получения энергии. Высокие скорости ветра могут приводить к большим значениям мощности, порядка 0 Вт даже для генератора с площадью сечения потока всего несколько квадратных сантиметров. Например, при протекании воды со скоростью 1 смс и объмном расходе см3с, выходная мощность может составлять около мкВт . Несомненно, датчики, установленные в вытяжных трубах, системах вентиляции или водопроводах могут использовать все преимущества данной технологии. Этот источник энергии, однако, требует постоянного движения жидкостей или газов и, таким образом, во многих случаях является неподходящим. Еще один естественный источник энергии это механические колебания и вибрации , , , , , , . Существует большое количество источников механической энергии в окружающей среде, например колебания стен и окон в зданиях, вибрации станков на производстве и т. Более подробно различные источники механических колебаний рассматриваются в разделе 1. Основным преимуществом преобразования механической энергии в электрическую является вездесущность источников механических колебаний и вибраций, второе преимущество заключается в большом многообразии доступных механизмов преобразования, среди которых основные это пьезоэлектрический, электромагнитный индуктивный и электростатический емкостной, которые также более детально будут рассматриваться ниже. В работе было показано,
что из механических колебаний с амплитудой ускорения 2. Гц можно получить около 0 мкВтсм3, что является вполне достаточным для элекгропитания достаточно сложного беспроводного сенсорного узла.