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频率可调谐 的压电式能量 采集器件的 研究

频率可调谐 的压电式能量 采集器件的 研究. 姓名：赵健英 导师：马建国. 摘要. 压电式能量采集器件的研究背景 压电式能量采集器件的基本原理 压电式能量采集器件研究现状 需要解决的几个问题： 建立新的精确地物理模型 如何实现频率调谐和频率调谐中需要解决的几个关键问题 如何实验验证理论模拟的规律. 频率调谐的四个关键问题. High load resistance  High E-flied in the PZ material  enables PZ coupling

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频率可调谐 的压电式能量 采集器件的 研究

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Presentation Transcript

  1. 频率可调谐的压电式能量采集器件的研究 姓名：赵健英 导师：马建国

  2. 摘要 • 压电式能量采集器件的研究背景 • 压电式能量采集器件的基本原理 • 压电式能量采集器件研究现状 • 需要解决的几个问题： • 建立新的精确地物理模型 • 如何实现频率调谐和频率调谐中需要解决的几个关键问题 • 如何实验验证理论模拟的规律

  3. 频率调谐的四个关键问题 • High load resistance  High E-flied in the PZ material  enables PZ coupling • Inductor in output  Coupled oscillators  Pole splitting • Variable inductor  Frequency tuning • Bias Flip to approximate large variable inductor

  4. 压电式能量采集器件的研究背景 • 无线传感网络进入小型化、低功耗的时代 • 传统电池体积大、供能寿命有限 • 机械振动能是广泛存在于自然界的一种能量 • 振动能量一般可以通过电磁式、静电式和压电式三种方式转化成电能 • 压电式能量采集器件优点：结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、寿命几乎无限、易于加工制作和实现机构的微小化

  5. 压电式能量采集器件的基本原理 • 正压电效应 压电效应：压电材料在外界振动的激励下发生变形，引起材料内部偶极子的不对称，发生极化现象，同时在材料表面上出现正负相反的电荷 • 悬臂梁结构是压电能量采集器的首选结构 正压电效应的作用，使得压电材料表面产生电压，当外界的振动频率与悬臂梁的固有频率相同时，悬臂梁发生共振，振幅最大，压电效应也最明显，输出电压最大。

  6. 压电式能量采集器件的研究现状 • 国内外对能量采集和自供电系统越来越感兴趣，如IMEC的Chris Van Hoof 教授在2012年IEEE亚阈值电子会议上报告：自供电系统是需要抓住的正确的挑战 • 振动源的频率是不稳定的甚至是随时间变化的且大多是和谐振器的谐振频率不匹配，因此频率调谐相当重要 • Cammarano等人已经研究出在输出端加可调谐的复杂的电感能够在很宽范围内达到近似最大输出功率，但是大的可调谐的电感时不实际的 • Ramadass等人已研究出Bias-Flip技术可以近似大的可调谐的电感

  7. 物理建模 F X + Mass V E, D δ, σ t - Current Source Model IP CP RP NOTE: In the open circuit case, D=0, and the effective Young’s modulus is

  8. Electrical Frequency Tuning Output Voltage in case of No inductor

  9. Pole Splitting

  10. Pole Splitting

  11. Output Power in the Case of Optimized, Tunable Inductor

  12. Output Power for the case YLN=0.1

  13. 总结 • 以上结果已经写成论文Microelectronic Techniques for Frequency Tuning of Piezo-Electric Energy Harvesting Devices,并被the 2012 IEEE Subthreshold Microelectronics Conference 收录 • 接下来还需要完成的工作 • 压电式能量采集器件的整流和存储电路，及其效率仿真 • 相位性能的仿真 • 由于仿真中用的是理想的Bias-Flip电路，因此需要用实验验证实际的Bias-Flip的效率 • 因此之前还需要搭建实验平台

  14. 谢谢大家！

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