微型传感器能量自捕获技术研究

【摘要】当前,微型传感器系统的工作主要依靠电池来供电。由于电池的寿命都是有限的,长则3～5年,短则3～5个月。在电池耗尽之后,大部分的传感器都会被弃用。即使那些重新更换电池的传感器系统,工作在一定时间之后仍然会出现能量供给不足的情况。为了缓解这个问题,各种低功耗技术应运而生,即使如此,学者们一直在寻求一种彻底解决此问题的途径。能量自捕获技术就是在这种背景下成为研究的热点。本文以微型传感器系统的功耗特性分析开始,通过研究能量自捕获技术的工作原理、设计方案等,提出集合振动能量收集系统、热电能量收集系统和射频能量收集系统的多种能量供给方式互相结合的能量自捕获方案。首先,本文对微型传感器系统的功耗特性进行了分析,提出三种典型的工作流程,通过对STM32W108微控制器的收集-发送工作流程的功耗进行测试,得到系统的平均功耗仅有117.81mW。然后,对压电能量收集系统的压电材料特性、结构特性和数学模型进行了分析,并采用COMSOL软件对压电单晶片悬臂梁结构模型进行了仿真测试。通过对压电单晶片悬臂梁模型的宽长比、压电材料与基梁的长度比、压电材料和基梁的厚度等系统结构参数对系统的特征频率和输出特性的影响进行了测试。研究发现,这些结构参数只影响系统的特征频率,对系统的输出特性影响较小。通过对压电单晶片悬臂梁模型的基梁材料、压电材料和电极材料进行分析,发现这些材料的弹性模量和密度对系统的特征频率影响较大。只有压电材料的介电常数和压电常数会对系统的输出特性影响。其次,热电能量收集系统研究方面,首先对热源进行分析,提出适合微型传感器利用的自然热源。然后对热电能量收集系统模型进行了分析,提出电阻匹配和热阻匹配的方案,最后根据微型传感器系统的功耗要求设计了由550个热电偶组成的热电元件,该元件的高度为10mm,面积为0.45mm2,内阻为0.68Ω,匹配电阻为92.4Ω,理论上输出功率为116.9mW。最后,通过分析空间分布的无线电波的特性,提出射频能量收集系统收集天线设计的相关依据,然后对天线的数学模型进行了详细分析,提出采用八元微带宽频天线作为收集天线,最后完成射频能量收集测试,测试表明在900MHz的手机信号波长范围内,系统能够输出最高为7.8V左右,约17pW的能量。
【作者】杨刘柱；
【导师】黄钉劲；
【作者基本信息】西安工业大学，精密仪器及机械，2014，硕士
【关键词】微型传感器系统；能量自捕获技术；压电能量收集；热电能量收集；射频能量收集；

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