微機(jī)電（MEMS）換能器可用于從環(huán)境振動中獲取能量。這些靜電裝置通過梳狀結(jié)構(gòu)中的可變電容將質(zhì)量塊振動中所含的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。本文中，我們使用Polytec公司的顯微式激光測振儀，以納米分辨率測量共振器的面內(nèi)振動特性。通過對換能器施加從小到大的激勵，產(chǎn)生并測量出換能器的線性和非線性動力學(xué)響應(yīng)。最重要的是，還可確定不同的激勵和負(fù)載阻抗對能量采集的影響。
為什么需要能量采集？
進(jìn)行能量采集的微型化系統(tǒng)是自維持換能器和執(zhí)行器系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。他們從環(huán)境能量源（如溫度梯度，機(jī)械振動，或氣流）中產(chǎn)生電流。本文討論的MEMS器件利用環(huán)境振動來驅(qū)動彈簧懸浮質(zhì)量塊的運(yùn)動，從而改變靜電梳狀微結(jié)構(gòu)的電容來產(chǎn)生電流。環(huán)境振動覆蓋的振幅和頻率范圍很廣。如圖1所示，通常情況下，和活體相比，機(jī)械裝置的頻率較高振幅較低。
圖1 機(jī)械裝置和活體運(yùn)動的典型頻率和振幅范圍。
實驗布局
通過對設(shè)計成交錯梳狀結(jié)構(gòu)的可變電容進(jìn)行充電，實現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。在圖2中，左側(cè)為MEMS換能器的功能布局，右側(cè)為實際設(shè)備的放大圖像。換能器包括一個由四個彈簧懸浮起來的質(zhì)量塊，這四個彈簧長1毫米，寬度在1.4~7.4μm之間不等。根據(jù)理論分析，可計算出當(dāng)質(zhì)量塊為0.1mg時，其共振頻率在96~1160Hz之間。質(zhì)量塊相對的梳狀齒就像一個可移動的電極，與外部的梳狀電極一起固定在基底上，以此獲得兩個可變電容。換能器采用絕緣硅(SOI)工藝，平面內(nèi)的總體尺寸是3x6 mm2。
圖2 機(jī)電換能器和梳狀結(jié)構(gòu)的功能性布局
面內(nèi)振動測量
為了更深入地了解能量換能器的機(jī)械動力學(xué)，很有必要獲知換能器的頻率特性。為此，我們采用壓電致動器作為激勵源，使用頻閃技術(shù)和光學(xué)圖像處理技術(shù)，以納米分辨率測量質(zhì)量塊的面內(nèi)運(yùn)動z(t)、【幅相】和激勵振動y(t)。本次試驗中，測量系統(tǒng)是Polytec公司的一款MSA-500顯微式激光測振儀，其包含同步頻閃LED光源和先進(jìn)的攝像機(jī)，通過對周期運(yùn)動中不同相位的圖像進(jìn)行“凍結(jié)”，從而提取面內(nèi)運(yùn)動數(shù)據(jù)。此外，激勵由單點式激光測振儀來控制，包括測量光束和參考光束。實驗裝置示意圖如圖3所示。
圖3 激勵裝置的安裝示意圖及質(zhì)量塊的運(yùn)動測試
為獲取這些裝置的動態(tài)特性，記錄了當(dāng)輸入振動為2.4nm時，質(zhì)量塊在位移峰峰值Zpp時的共振。測量結(jié)果如圖4所示。測量數(shù)據(jù)顯示為振幅和相位的洛倫茲特性。面內(nèi)運(yùn)動z(t)的相位相對于激勵y(t)，在共振時有個90°的變化，這個在圖4中也可以看到。在大氣中工作時，得到的q因子為190，計算出的共振頻率為1160 Hz，要低于實際測量值1522 Hz，而且器件的共振頻率還將隨著激勵的減弱而進(jìn)一步減小。如圖5所示，三次遞增的激勵振幅分別為8、19和37 nm，在較高的激勵振幅下，該器件表現(xiàn)出非線性特性，且在更高的頻率處出現(xiàn)共振峰，這種效應(yīng)被稱為彈簧硬化。
圖4 換能器的幅值、相位VS頻率曲線
圖5 高激勵幅值下Zpp的非線性曲線
什么決定了能量輸出？
實驗結(jié)果進(jìn)一步證實了質(zhì)量塊的運(yùn)動與可變電容及能量收集之間的相關(guān)性。在圖6中，橫坐標(biāo)為頻率f，激勵幅值為0.2μm、電壓70 V，得出的是不同負(fù)載阻抗Rload下的能量收集的輸出功率P。由圖可以看出，負(fù)載阻抗對于能量收集裝置的輸出功率是一個重要參數(shù)，在具體應(yīng)用中可以進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
圖6 不同負(fù)載阻抗下，頻率和能量采集功率曲線
