Кафедра рту допустить к защите зав кафедрой Фалько А. И. Бакалаврская работа

Скачать 0.5 Mb.

Название	Кафедра рту допустить к защите зав кафедрой Фалько А. И. Бакалаврская работа
страница	1/2
Тип	Пояснительная записка

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Пояснительная записка

1 2

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

(ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»)

Форма утверждена

научно-методическим советом

ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»

протокол № 3 от 15.04. 2014 г.

Кафедра РТУ

Допустить к защите

зав. кафедрой Фалько А.И.

БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА

Использование микрогенераторов в системах связи.

Пояснительная записка

____________________________
Студент Суворова Ю.В.

Факультет МРМ Группа РМ-23

Руководитель Шушнов М.С.

Консультанты (при наличии разделов в работе):

по безопасности жизнедеятельности

Самуйлло Ю.В.

Новосибирск 2016 г.
Федеральное агентство связи

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

(ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»)

Форма утверждена

научно-методическим советом

ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»

протокол № 2 от 04.03. 2014 г.

КАФЕДРА

_____________РТУ_______________________

ЗАДАНИЕ

СТУДЕНТУ Суворовой Ю.В.

ГРУППЫ РМ-23

УТВЕРЖДАЮ зав. кафедрой______________

___________/______________/

______________
Новосибирск 2016 г.

Тема работы:____ «Использование микрогенераторов в системах связи».____________________________________________

утверждена приказом по университету от . № _________

Срок сдачи студентом законченной работы: __22.06.16____________

Цель работы: Разработать автономную схему питания для маломощных устройств.

Задачи:

Выбрать источник энергии
Выбрать микрогенератор
Подобрать преобразователь
Рассчитать выходное напряжение

Ожидаемые результаты:

Получение автономной схемы питания для маломощных устройств.

Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов) и сроки выполнения по разделам:

Введение

Выбор компонентов устройства для аккумулирования энергии из окружающей среды

Подбор и расчет элементной базы для реализации микромощного источника питания

Безопасность жизнедеятельности

Заключение

Консультанты (при наличии разделов в работе), с указанием относящихся к ним разделов работы:

Раздел __. Безопасность жизнедеятельности Самуйлло Ю.В.______

(ФИО)

Дата выдачи задания:

______________

___________ /__________/

Задание принял к исполнению:

______________

___________ /__________/

ОТЗЫВ

на бакалаврскую работу студента ______________________________________

(Фамилия И.О)

по теме «___________________________________________________________»

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Работа имеет практическую ценность		Тема предложена предприятием
Работа внедрена		Тема предложена студентом
Рекомендую работу к внедрению		Тема является фундаментальной
Рекомендую работу к опубликованию		Рекомендую студента в магистратуру
Работа выполнена с применением ЭВМ		Рекомендую студента в аспирантуру

Руководитель бакалаврской работы_______________________________________

(должность, уч. степень, подпись, фамилия, имя, отчество (полностью), дата)

________________________________________________________________________________________

АННОТАЦИЯ*

Выпускной квалификационной работы студента____Суворовой Ю.В._________

(Фамилия,И.О.)

по теме «_»

Объём работы - _45____ страниц, на которых размещены _9_ рисунков и 5_таблиц. При написании работы использовалось 6 источников.

Ключевые слова: Energy harvesting, микрогенератор, пребразователь.

Работа выполнена __________________________________________________

(название предприятия, подразделения)

Руководитель ______________________________________________________

(должность, уч.степень, звание, Фамилия Имя Отчество)

Целью работы является разработка автономной схемы питания для маломощных устройств.

Решаемые задачи

Выбор источника энергии
Выбор микрогенератора
Подбор преобразователя
Расчет выходного напряжения

Основные результаты**

(продолжение на обороте)

_________________________________________________________________________________________________

*Аннотация составляется на русском и английском языках

**В данном разделе могут быть отражены результаты внедрения, выработаны рекомендации и др.

Graduation thesis abstract
of Suvorova Y.V.________________________________________________

(Last name, name)

on the theme «_»
The paper consists of __50___ pages, with __9__ figures and _5____tables/charts/diagrams. While writing the thesis _6___reference sources were used.
Keywords: Energy havesters, generator, converter
The thesis was written at_____________________________________________________________________

(name of organization or department)

Scientific supervisor __________________________________________________________________________

(position, degree, last name, name)

The goal/subject of the paper is

The aim is to develop an autonomous power supply circuit for low-power devices.

Tasks

1. Selection of an energy source

2. Selecting of the generator

3. Selection of the converter

4. Calculation of the output voltage
Results

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….2

1 Выбор компонентов устройства для аккумулирования энергии из окружающей среды………………………………………………………………….5

1. Выбор источника свободной энергии……………………………………....5
2. Выбор схемы сбора энергии из окружающей среды и генерации электрического сигнала……………………………………………………..9
3. Принцип работы электростатического микрогенератора………………..10
4. Выбор преобразователя генерируемого сигнала…………………………20
Подбор и расчет элементной базы для реализации микромощного источника питания………………………………………………………………………….21
1. Выбор микрогенератора……………………………………………………21
2. Выбор схемы стабилизатора напряжения………………………………....22
3. Расчет выходного напряжения готового устройства……………………..23
Безопасность жизнедеятельности……………………………………………..25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………..40

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………………42

ПРИЛОЖЕНИЕ А (Принципиальная схема стабилизатора напряжения)……...43

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день очень сложно представить нашу жизнь без Интернета и информационных технологий. Они прочно вошли в жизнь, сделав ее намного проще. С развитием информационных технологий нам становятся доступны новые возможности, которые делают повседневные вещи удобнее, быстрее, и дешевле. Однако, те изменения, которые мы на данный момент видим – это лишь малая часть. Сетевые технологии находятся в начале пути своего развития и по-настоящему большие инновации ждут нас в будущем.

Благодаря развитию новых технологий станет возможным передача через компьютерные сети того, что раньше казалось неосуществимым. Яркий тому пример – запах. Устройство анализирует молекулярный состав воздуха в одной точке и передает эти данные по сети. В другой точке сети этот молекулярный состав, т.е. запах синтезируется. Прототип подобного устройства уже выпустила американская компания Mint Foundry, под названием Olly. И очень скоро мы сможем увидеть воплощение этих идей в нашей повседневной жизни.

Интернет станет сетью не только компьютеров, но и вещей. По данным CIA World Factbook в 2012 году в сети Интернет насчитывалось уже более 700 миллионов компьютеров. Ежегодно у пользователей возрастает число устройств, которые выходят в сеть: компьютеры, телефоны, планшеты и т.д. Уже сегодня кол-во IP-адресов превышает количество населения Земли. С новой архитектурой компьютерных сетей наступит эра «интернета-вещей». Вещи и предметы будут взаимодействовать через сети, что откроет огромные возможности для всех областей жизнедеятельности человека.

Одна из ближайших разработок – это «умная пыль» — датчики, разбросанные по большой территории, которые собирают информацию. Национальный Научный Фонд США прогнозирует, что около миллиардов датчиков на зданиях, мостах, дорогах будут подключены к сети Интернет для мониторинга использования электричества, обеспечения безопасности и т.д. В целом ожидается, что к 2020 г. количество интернет-подключенных датчиков будет на порядок больше, чем количество пользователей.

Сетевые технологии потребляют слишком много энергии, и эксперты сходятся во мнении, что будущая архитектура компьютерных сетей должна быть более энергоэффективной. По данным Национальной лаборатории Лоренса Университета Беркли количество энергии, потребляемой глобальной сетью, в период с 2000 по 2006 год увеличилось в два раза. Интернет занимает 2% мирового потребления электроэнергии, что эквивалентно мощности работы 30ти атомных электростанций – 30 млрд. Вт. Тенденция к «озеленению» или «экологизации» сети Интернет будет ускоряться по мере возрастания цен на энергоносители.

Проблема дефицита энергии наряду с появлением микросхем с чрезвычайно низким энергопотреблением, а также схем, способных собирать, управлять и сохранять энергию послужили стимулом к созданию нетрадиционных источников питания, преобразующих энергию окружающей среды в электрическую. И на сегодняшний день эта технология - горячая тема. Изготовители средств аккумулирования энергии успешно доказывают возможность замены ими обычных батарей в системах, где применение последних вызывает проблемы: стоят дорого или опасны. Средства аккумулирования энергии оказались перспективными для транспортной инфраструктуры, автоматизированных систем управления инженерным оборудованием зданий, беспроводных медицинских приложений, сенсорных сетей.В результате число устройств, питаемых аккумулированной из окружающей среды энергией, растет "не по дням, а по часам".

Микрогенераторы можно использовать в устройствах для питания повсеместно развернутых сенсорных сетей и мобильной электроники. Системы могут собирать энергию от человеческой деятельности или от температуры окружающего воздуха, света, радио или вибрации.

На сегодняшний день габариты электроники стали меньше и требуют меньшую мощность батарей, что открывает широкие возможности использования беспроводных и мобильных приложений. Несмотря на свою экономичность, аккумуляторы ограничивают проникновение беспроводных систем в жизнь, так как использование беспроводных датчиков везде сопровождается кошмаром замены и утилизации батарей.

Один из вариантов решения данной проблемы - перемещение на другой источник энергии. Использование возобновляемых источников энергетических ресурсов в устройствах предполагает источник питания, ограниченный физическим выживанием устройства, а не пополнением запаса энергии.

Методы получения энергии из отходов тепла или вибрации исследовались в течение многих десятилетий. Тем не менее, повышенный интерес к данным исследованиям появился вместе с развитием беспроводных систем и миниатюризацией электроники, чтобы населить мир сенсорными сетями и мобильными устройствами.

Колебательные возбуждения от вибраций полов и стен, неподалеку от машин широко распространены во многих местах, но они могут меняться в широких пределах по частоте и амплитуде. Изобретатели уже давно разработали системы сбора этой энергии. Например, часы с автоподзаводом использовали движение тела пользователя. Широкого распространения этих систем не происходило вплоть до 1930-х годов, пока не научились делать герметичные корпуса часов для защиты механизма от пыли.

Большой интерес в долгоживущих беспроводных датчиках подтолкнул многих ученых к разработке колебательных микрогенераторов, которые сделаны на основе пьезоэлектрических материалов.

1 Выбор компонентов устройства для аккумулирования энергии из окружающей среды.

Энергия, извлекаемая из окружающей среды, невелика, непостоянна и непредсказуема. Поэтому для сопряжения ее источника с вторичным источником мощности (по существу с накопителем энергии - батареей или конденсатором) применяется промежуточный компонент, который преобразует энергию в удобную для дальнейшей обработки форму. Типичное устройство аккумулирования энергии из окружающей среды состоит из трех блоков:

источника свободной энергии;
схемы сбора энергии из окружающей среды и генерации электрического сигнала;
преобразователя генерируемого сигнала в удобную для дальнейшей обработки форму, содержащего, как правило, датчик, регистрирующий поступающую в виде электрического сигнала собранную энергию, АЦП и маломощный микроконтроллер;

1.1 Выбор источника свободной энергии.

Сбор энергии представляет собой процесс, в результате которого энергия, полученная из внешних источников (например, солнечная энергия, тепловая, энергия ветра, солености воды, и кинетическая энергия), захватывается и хранится для малых беспроводных автономных устройств, таких как те, которые используются в переносной электронике и беспроводных сенсорных сетях.

Сборщики энергии (energy harvesters) обеспечивают очень небольшое количество энергии для низкоэнергетической электроники. Источник энергии для сборщиков энергии присутствует в качестве фона окружающей среды и является бесплатным. Например, существуют градиенты температуры от работы двигателя внутреннего сгорания, в городских районах, существует большое количество электромагнитной энергии в окружающей среде из-за радио и телевизионного вещания.

Есть много мелких источников энергии, которые обычно не могут масштабироваться до промышленного размера:

Фотоэлементы представляют собой способ выработки электрической энергии путем преобразования солнечного излучения (в помещении и на открытом воздухе) в электричество постоянного тока с использованием полупроводников, которые проявляют фотоэлектрический эффект.
Микроветровые турбины используются для сбора энергии ветра, легко доступны в окружающей среде в виде кинетической энергии для питания электронных устройств малой мощности, таких как беспроводные узлы датчика. Когда воздух проходит через лопатки турбины, разница давления развивается между скоростью ветра выше и ниже лопаток.
Пьезоэлектрические кристаллы или волокна генерируют небольшое напряжение, когда они механически деформируются. Вибрация от двигателей может стимулировать пьезоэлектрические материалы (например, пятка ботинка или нажатие кнопки).
Специальные антенны могут собирать энергию «бродячих» радиоволн, также это может быть сделано с рентгена и теоретически даже при более высокой частоте электромагнитного излучения с наноантенн.
Пироэффект преобразует изменение температуры в электрический ток или напряжение. Он аналогичен пьезоэлектрическому эффекту, который является другим типом сегнетоэлектрического поведения. Пироэлектричество требует изменяющихся во времени входах и страдает от небольших выходов мощности из-за его низких рабочих частот. Тем не менее, одним из ключевых преимуществ пироэлектриков над термоэлектриками является то, что многие пироэлектрики стабильны до 1200 ⁰C или выше, что позволяет собирать энергию от источников высокой температуры и, таким образом, увеличивая термодинамическую эффективность.
Термоэлектрики. В 1821 году Зеебек обнаружил, что температурный градиент, образованный между двумя разнородными проводниками создает напряжение. В основе термоэлектрического эффекта лежит тот факт, что температурный градиент в токопроводящего материала приводит к тепловому потоку; это приводит к диффузии носителей заряда. Поток носителей заряда между горячими и холодными регионами в свою очередь, создает разность потенциалов. Были разработаны миниатюрные термопары, которые преобразуют тепло тела в электричество и генерируют 40μW.
Электростатическое (емкостное). Этот тип сбора основан на переменной емкости вибрационно-зависимых конденсаторов. Вибрация меняет расстояние между обкладками заряженного переменного конденсатора, а механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Полученные устройства могут напрямую заряжать батареи, или могут привести к экспоненциально растущим напряжениям на накопительных конденсаторах, из которых энергия может периодически извлекаться преобразователями DC / DC.
Магнитная индукция. Магниты пошатываясь на кантилеверах чувствительны даже к небольшим колебаниям и генерируют микротоки путем перемещения относительно проводников в связи с законом индукции Фарадея.
Уровень сахара в крови. Существует способ сбора энергии через окисление сахара в крови. Он может быть использован для питания имплантированных электронных устройств (например, кардиостимуляторы, имплантируемые биосенсоры для больных сахарным диабетом, имплантированные активные RFID-устройства и т.д.). В настоящее время Minteer группа Saint Louis University создал ферменты, которые могут быть использованы для выработки энергии из сахара в крови.
На основе дерева. Сбор метаболической энергии дерева представляет собой еще один тип получения биоэнергии. Voltree разработал метод для отбора энергии от деревьев. Эти устройства используются для питания удаленных датчиков и ячеистых сетей в качестве основы для долгосрочного развертывания системы мониторинга лесных пожаров и погоды в лесу.
Метаматериал Устройство Метаматериал на основе беспроводной сети преобразует СВЧ-сигнал 900 МГц до 7,3 вольт постоянного тока (больше, чем у устройства USB). Прибор может быть настроен, чтобы собрать другие сигналы, в том числе Wi-Fi сигналы, спутниковые сигналы, или даже звуковыми сигналы. Экспериментальное устройство, которое используется серия из пяти стекловолокна и медных проводников. Эффективность преобразования достигла 37 процентов.
Изменения атмосферного давления .Изменение давления воздуха из-за изменения температуры или погодных условий используется для подачи питания для механических часов, таких как часы Atmos.

В таблице 1.1 приведены некоторые энергетические ресурсы и мощность, которую можно получить при их использовании.
Таблица 1.1 – количество собранной мощности от различных энергетических ресурсов

Энергетический ресурс	Собранная мощность, мкВт\см²
вибрация	4 – 100
разница температур	25 – 10 000
свет	10 – 10 000
радиочастоты	0.1 - 1

Хотя для всех этих типов энергии предлагаются разные типы преобразователей в электрическую энергию, необходимо отметить, что энергии радиоволн, ветра, тепловых градиентов обладают низкой удельной плотностью.

Поэтому только солнечная энергия и энергия механических колебаний поверхностей различных твёрдых тел при небольших размерах генерирующих устройств могут быть использованы для генерации электрической энергии мили- и микроваттного диапазона, достаточной для питания современных микросхем. Однако, солнечная энергия доступна только ограниченное время.

Анализ показывает, что одним из наиболее распространенных источников энергии в окружающем пространстве являются механические колебания и их энергии может быть достаточно для получения необходимой мощности устройства.

1.2 Выбор схемы сбора энергии из окружающей среды и генерации электрического сигнала.

Выбор конкретного механизма датчика для получения энергии от вибрации сильно зависит как от условия эксплуатации, так и размеров.

Существует четыре основных метода, которые могут быть использованы для выработки электроэнергии из механические колебаний:

Электромагнитный, при котором магнитное тело под действием внешней кинетической энергии перемещается в магнитном поле, вызывая изменение заряда магнитного потока и генерацию напряжения. Преимуществом данного микрогенератора является отсутствие внешнего источника питания, что обеспечивает его автономность. Однако при изготовлении данного устройства возникает проблема размещения катушки индуктивности и постоянного магнита с небольшими размерами. Кроме того, для получения постоянного магнитного поля необходимо применять специфические материалы, что увеличивает стоимость готового изделия за счёт введения дополнительных операций в технологический процесс. Выходное напряжение такого микрогенератора достигает нескольких вольт. Но в ряде задач такой сигнал может быть недостаточным для поддержания стабильной работы аппаратуры, следовательно, слабый выходной сигнал необходимо усиливать. Таким образом, для использования электромагнитного микрогенератора необходимо применять ещё одно – дополнительное – устройство, что существенно увеличивает габаритные размеры и стоимость изделия.
Пьезоэлектрический, регистрирующий напряжение, которое возникает в результате деформации слоя пьезоэлектрика, нанесенного на стержень, к которому прикреплен груз, перемещаемый под действием кинетической энергии колеблющегося тела. Основным преимуществом пьезоэлектрических микрогенераторов является наибольшая генерируемая мощность по сравнению с электромагнитными и электростатическими.

Но широкое применение микрогенераторов данного типа ограничивается такими факторами как:

малое количество пьезоэлектрических материалов совместимых с технологией изготовления интегральных схем;
низкие характеристики совместимых материалов;
ухудшение характеристик со временем;
хрупкость тонких пьезоэлектрических плёнок;
узкий диапазон частот.

3) Магнитострикционный, при котором изменение магнитного потока под воздействием кинетической энергии регистрируется многослойным магниторезистивным или пьезоэлектрическим, или магнитоэлектрическим преобразователем.

4) Электростатический, при котором измеряется напряжения конденсатора, обусловленное смещением одной из его обкладок под действием внешнего усилия. За счёт работы, совершаемой внешней механической силой при изменении ёмкости переменного конденсатора, часть внешней механической энергии преобразуется в электрическую энергию.

Среди различных физических принципов, на которых может быть основана работа микрогенераторов электрической энергии, наиболее эффективными являются электростатические, поскольку остальные имеют существенные недостатки: электромагнитные генераторы энергии неэффективны в области малых амплитуд колебаний, а пьезоэлектрические неэффективны при малых частотах колебаний.

Кроме того, технология изготовления высококачественных тонких пьезоэлектрических плёнок пока недостаточно разработана.
1.3 Принцип работы электростатического микрогенератора

1.3.1 Механизмы возбуждения колебаний подвижного элемента

Принцип работы электретного микрогенератора схож с принципом работы электретного микрофона, который применяется в течение многих лет в науке и технике. Если в обычном конденсаторном микрофоне заменить мембрану электретной плёнкой, то она создает в зазоре «мембрана – неподвижный электрод» электрическое поле, сравнимое с полем внешнего напряжения, используемого в обычных конденсаторных микрофонах. В соответствии с изменением зазора между электродами при движении электретной мембраны происходит изменение ёмкости преобразователя и на неподвижном электроде индуцируется переменный сигнал.

Возбуждение силой

На рисунке 1.1 представлена механическая схема воздействия периодической силы

f(t) = F

sin ωt (1)

на пластину конденсатора с массой m, подвешенную на пружине с коэффициентом упругости k, учитывающая потери энергии в системе c.

Рисунок 1.1 – Механическая схема возбуждения колебаний массы m при воздействии гармонически изменяющейся силы

Уравнение, описывающее эту систему, следующее:

(2)

Оно легко преобразуется к виду:

(3)

Это уравнение представляет собой закон сохранения энергии: работа внешней силы (левая часть уравнения) расходуется на изменение кинетической энергии колеблющейся массы m и потенциальной энергии пружины подвески (второе слагаемое в правой части уравнения) и на потери в системе (первое слагаемое).

Исходя из структуры уравнения (), нетрудно сделать вывод, что для увеличения накопления механической энергии в системе при заданных частотах возбуждения

f=ω/2π (4)

необходимо увеличивать амплитуду силы F, воздействующей на систему, массу колеблющейся пластины m и жёсткость пружины подвески k.

Отметим, однако, что в реальных конструкциях микрогенераторов режим, при котором внешняя сила непосредственно воздействует на колеблющуюся пластину конденсатора, трудно реализуем. Известно только малое число работ, в которых внешняя сила приложена непосредственно к валу вращающейся пластины, но такие генераторы трудно создать в микроэлектронном исполнении. Поэтому, более эффективен вибрационный режим, когда внешние колебания корпуса устройства передаются через пружину подвески на массу пластины m.

Вибрационный режим

В данном устройстве (рисунок 2) колебания корпуса (относительно некоторой неподвижной поверхности) y(t) вызывают колебания подвижного электрода z(t), а смещение подвижного электрода относительно корпуса равно

x(t)=z(t)-y(t). (5)

Сила, передаваемая через пружину на вибрирующий электрод, равна:

(6)

Для этого режима уравнение, описывающее механическую систему, выглядит следующим образом:

, (7)

где y – координата перемещения корпуса устройства,

x – координата перемещения массы m.

Или для смещения массы относительно корпуса :

(8)

Это уравнение эквивалентно уравнению () при замене F на

. (9)
Значит, как и в предыдущем случае, механическая энергия, накапливаемая в системе, увеличивается при увеличении массы, жесткости пружины подвески и силы, которая, в свою очередь, пропорциональна массе подвижного элемента, квадрату частоты возбуждения и амплитуде вибрации

Рисунок 1.2 - Механическая схема вибрационного режима возбуждения колебаний массы m

Описание вибрационного режима с учётом потерь механической энергии

Схема активного элемента генератора и электромеханическая схема структуры генератора изображены на рисунке 1.3.

Вибрирующий электрод колеблется относительно закрепленного на корпусе устройства электрета с диэлектрической проницаемостью ε и встроенным зарядом Q_P. Этот заряд наводит на электродах заряд, компенсирующий поле, возникающее в структуре из-за присутствия встроенного заряда: Q_S и Q_C на вибрирующем и закрепленном на корпусе электродах, соответственно. Если электроды соединены между собой через нагрузку R, то при изменении положения вибрирующего электрода в цепи пойдет ток I(t) компенсации зарядов на электродах.

Однако в реальной ситуации, когда возникает необходимость в утилизации энергии вибраций окружающей среды, силу, возбуждающую эти вибрации, невозможно приложить непосредственно к вибрирующему электроду, поскольку корпус устройства закрепляется на вибрирующей поверхности. Поэтому для съёма энергии внешних вибраций применяется схема, изображенная на рисунке 3б. Здесь электрет закреплён непосредственно на корпусе устройства, а вибрирующий электрод закрепляется на корпусе: на растяжке – через пружину с коэффициентом упругости k.

а.

б

а – схематическое изображение структуры металл – электрет со встроенным зарядом, Q_P - зазор – вибрирующий электрод (индуцированные заряды на электродах Q_C и Q_P, соответственно);

b - схематическое изображение структуры с учётом ее вибрационного возбуждения и нагрузки R.

Рисунок 1.3 – Механо-электрическая схема электретного генератора

Сила сопротивления электрического поля, за счет которой происходит генерация энергии, выражается как:

(10)

_, (11)

где E_A – напряженность электрического поля в области вибрирующего электрода.

Уравнение, описывающее колебания подвижного электрода, есть обычное уравнение механического осциллятора с учетом тормозящей силы электрического поля:

(12)

Уравнение, описывающее электрическую часть устройства, необходимое для вычисления Q_S:

(13)

1.3.2 Конкретные реализации механических схем работы МЭМС электретного генератора

Возможны два типа реализации электретного генератора в микроэлектронном исполнении: “in-plane” конструкция, в которой при движении подвижного электрода изменяется площадь перекрытия электродов при фиксированном межэлектродном зазоре, и “out-of-plane” конструкция, для которой изменяется межэлектродный зазор при фиксированной площади перекрытия. Возможные типы “in-plane” генераторов представлены на рисунке 1.4, направление смещения подвижного электрода обозначено стрелками. Они представляют собой либо матрицу встречно направленных перекрываемых штырей (рисунок 4а), когда конденсатор конструкции образуется за счёт перекрытия боковых поверхностей этих штырей, либо систему перекрываемых решёток (рисунок 4б).

Поскольку “in-plane” конструкция наиболее проработана технологически: она применялась ранее для создания МЭМС-акселерометров и гироскопов, она также наиболее проработана и для разработки микрогенераторов и наилучшие параметры по удельной генерируемой мощности – до 100 мкВт/см², были достигнуты именно для неё, в реализации, соответствующей рисунку 4б.

a.

b.

a - с перекрытием боковых поверхностей штырей;

b - с перекрытием «гребёнок».

Рисунок 1.4 – Примеры реализации конструкций in-plane микрогенераторов

Дальнейшему росту удельной мощности с такой конструкцией генераторов препятствует достаточно большой зазор между электретом и движущейся пластиной – порядка 20 мкм. Такой зазор выбирался, в первую очередь, из соображений электрической прочности на пробой указанной структуры: достигались значения электретного заряда V_P до 600 В и более.

В результате, увеличение мощности ограничено соответствующим электретным зарядом (V_P), а также малой электрической удельной ёмкостью генератора в такой конструкции. Отметим, что указанные параметры соответствуют предельным значениям для описанных выше структур.

Достижение больших удельных емкостей при сопоставимых по порядку величины значениях V_P возможно в “out-of-plane” конструкции, представленной на рисунке 5.

Рисунок 1.5 – Конструкция вибрационного out-of-plane генератора

Однако это направление исследований пока мало проработано. Известны лишь конструкция, представляющая собой плоскую мембрану или балку, закрепленную за один конец, с сосредоточенной на другом её конце массой.

В первом случае величина вырабатываемой энергии мала, из-за малой массы мембраны – до 1 мкВт/см², а во втором – из-за достаточно больших зазоров в генерирующем конденсаторе (порядка 10 мкВт/см²).

Отметим, что в этом прототипе рассматриваемых генераторов размеры устройства (4 см²), масса подвижного электрода (5 г) и заряд (V_P = 1400 В) были достаточно большими, что не позволяло говорить о возможности его микроэлектронного исполнения.
1.3.3

1 2

	Пояснительная записка Кафедра пмик допустить к защите зав кафедрой Оценка уровней сформированной общекультурных и профессиональных компетенций обучающегося		Проблемы коммуникации М. Е. Евсевьева (зав кафедрой, доцент А. А. Ветошкин); С. А. Борисова, директор Института международных отношений Ульяновского государственного...
	Фгбоу во «КубГУ» Физико-технический факультет Кафедра оптоэлектроники Допустить к защите в гэк Целью работы является разработка векторного вольтметра, измеряющего комплексный коэффициент передачи по напряжению четырехполюсников...		Кафедра финансов и кредита О. П. Рязанцева Рязанцева, О. П. Организация деятельности Центрального банка : учебное пособие / под общей редакцией зав кафедрой канд экон наук...
	Работа с субд mysql Учебное пособие по выполнению лабораторных работ О. Н. Лучко, профессор, зав кафедрой прикладной информатики и математики Омского государственного института сервиса		П. А. Петряков «6» сентября 2011 г Заведующий учебной мастерской деревообработки подчиняется непосредственно заведующему кафедрой птиР, назначается и освобождается...
	Московский клинический научно-практический центр С. А. Домрачев рак желудка Кафедра факультетской хирургии №2 мгмсу им. А. И. Евдокимова и мкнц выпускает серию учебных пособий по хирургии для студентов 4–6...		Б. А. Сидристый Проектирование Рецензенты: кафедра информационных технологий математического факультета Поморского государственного университета им. М. В. Ломоносова;...
	В. Г. Сунцов докт мед наук, проф., зав кафедрой стоматологии детского возраста огма Огма; А. А. Маме-дов — докт мед наук, проф., зав кафедрой детской стоматологии мма им. И. М. Сеченова; И. М. Шулькина — доцент кафедры...		К защите допустить Анализ финансового состояния пао аэрофлот с применением зарубежного опыта
	Бурлюкина Е. В., Васильченко Н. Г. Экономика отрасли Учебное пособие... Рецензенты: Кафедра «Экономики и управления предприятием» Московского государственного университета инженерной экологии, зав кафедрой:...		Методические указания по выполнению и защите выпускной квалификационной... Агарков А. В. – зам декана по учебной работе; Луцук С. Н. – зав кафедрой паразитологии и ветсанэкспертизы, анатомии и патанатомии,...
	Допустить к защите Анализ эффективности работы медицинской сестры в профилактике вби на базе гбуз «Кашинское црб» стр. 35		Российской Федерации Новосибирский государственный технический университет... Основные характеристики некоторых существующих cad/cam систем
	Бакалаврская работа По основной образовательной программе высшего образования бакалавриата «Политология» по направлению 030200 «Политология»		Факультет последипломного образования Зав кафедрой: академик рамн, Заслуженный деятель науки рф, д м н., профессор Л. А. Бокерия