基于频率和模态优化的微型永磁振动发电机的研究

微型振动发电机可以把环境中普遍存在的低频机械振动能转化成电能，是无线传感器、植入式传感器等各种低功耗电子器件长期、全天候供能的主流方案之一。目前能量转换效率过低已成为这类器件研究需要解决的关键问题。发电过程中，永磁体和感应线圈绕组的相对运动形式是决定能量转换效率的主要因素之一。在大量前期研究工作基础上，本项目提出将优化相对运动频率与优化相对运动模态相结合的研究思路，借助集成制造的三维微结构把输入的低频直线振动转化为永磁体相对于感应线圈绕组的高频扭摆振动，从而明显提高能量转换效率。据此提出一种新型振动式发电机的器件结构方案、进行流片和封装，并测试其性能，以验证上述原理的可行性和有效性。本项目是微米尺度上提高发电过程能量转换效率的有益尝试，有望从根本上克服集成制造的微型振动发电机能量转换效率过低的缺点，对于解决无线传感器、植入式传感器的长期供能问题、推进其应用具有深远的科学意义和促进作用。

本项目提出了将频率和模态优化相互结合提高微机械永磁振动发电效率，并采用MEMS微加工技术实现微型振动发电机的集成制造，从而为解决无线传感器和植入式传感器等低功耗器件的全天候、长期供电问题提供可行的方法。对于进一步提高现有器件性能而言，难点是如何在微型化的器件中有效拓展器件的工作带宽、同时提高器件的能量转换效率，对此本项目采用了非线性振动拓展器件响应带宽的方法，结合模态优化和磁路优化以提高器件的能量转换效率，从而探索出切实可行，具备原创性的解决方案,取得的成果有:. (1)通过对器件中的平面弹簧的拓扑优化，使器件的工作带宽达到了28Hz@180Hz，与国内外相关研究相比，在带宽相当的情况下、器件体积缩小了1到2个数量级。相关论文已在Applied Physics Letters等期刊发表；. (2)通过器件中平面弹簧的拓扑优化，使得器件能够在100Hz附近的频率下实现扭摆模态的振动，理论分析与实验测试结果表明：与相近频率的垂直振动模态相比，器件的开路输出电压提高了一倍以上；通过在线圈绕组中嵌入软磁铁芯的方法实现器件磁路的优化，理论分析与实验测试结果表明，与优化前无铁芯的磁路相比，无论是相同输出电压还是相同输入振动加速度的条件下，优化后器件的能量转换效率都比优化前增加了50%以上，上述研究为提高器件的能量转换效率提供了新的可行思路；. (3) 综合运用UV-LIGA和其他非硅表面微加工技术，实现了器件原型样机的集成制造，样机体积小于6×6×4mm3，从而形成了具有批量制造潜力的成套工艺。