通過測量面內振動來表征MEMS器件的能量收集

微機電（MEMS）換能器可用于從環境振動中獲取能量。這些靜電裝置通過梳狀結構中的可變電容將質量塊振動中所含的機械能轉換成電能。本文中，我們使用顯微式激光測振儀，以納米分辨率測量共振器的面內振動特性。通過對換能器施加從小到大的激勵，產生并測量出換能器的線性和非線性動力學響應。最重要的是，還可確定不同的激勵和負載阻抗對能量采集的影響。

·  為什么需要能量采集？

進行能量采集的微型化系統是自維持換能器和執行器系統的關鍵部件。他們從環境能量源（如溫度梯度，機械振動，或氣流）中產生電流。本文討論的MEMS器件利用環境振動來驅動彈簧懸浮質量塊的運動，從而改變靜電梳狀微結構的電容來產生電流。環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，機械裝置的頻率較高振幅較低。

圖1 機械裝置和活體運動的典型頻率和振幅范圍

·  實驗布局

通過對設計成交錯梳狀結構的可變電容進行充電，實現將機械能轉換成電能。在圖2中，左側為MEMS換能器的功能布局，右側為實際設備的放大圖像。換能器包括一個由四個彈簧懸浮起來的質量塊，這四個彈簧長1毫米，寬度在1.4~7.4μm之間不等。根據理論分析，可計算出當質量塊為0.1mg時，其共振頻率在96~1160Hz之間。質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，平面內的總體尺寸是3x6 mm2。

圖2 機電換能器和梳狀結構的功能性布局

·  面內振動測量

為了更深入地了解能量換能器的機械動力學，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，使用頻閃技術和光學圖像處理技術，以納米分辨率測量質量塊的面內運動z(t)、【幅相】和激勵振動y(t)。本次試驗中，測量系統是MSA-500顯微式激光測振儀，其包含同步頻閃LED光源和先進的攝像機，通過對周期運動中不同相位的圖像進行“凍結”，從而提取面內運動數據。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量塊的運動測試

為獲取這些裝置的動態特性，記錄了當輸入振動為2.4nm時，質量塊在位移峰峰值Zpp時的共振。測量結果如圖4所示。測量數據顯示為振幅和相位的洛倫茲特性。面內運動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，該器件表現出非線性特性，且在更高的頻率處出現共振峰，這種效應被稱為彈簧硬化。

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？

實驗結果進一步證實了質量塊的運動與可變電容及能量收集之間的相關性。在圖6中，橫坐標為頻率f，激勵幅值為0.2μm、電壓70 V，得出的是不同負載阻抗Rload下的能量收集的輸出功率P。由圖可以看出，負載阻抗對于能量收集裝置的輸出功率是一個重要參數，在具體應用中可以進行優化改進。

圖6 不同負載阻抗下，頻率和能量采集功率曲線

·  鳴謝

Author · Contact

Dipl-Ing. Ulrich Bartsch

Microsystem Materials Laboratory

Department of MicrosystemsEngineering

(IMTEK), University of Freiburg

D-79110 Freiburg, Germany

bartsch@imtek.de