雙頻帶微型電磁式發電機之研製

吳嘉殷(Jia-Yin Wu)

指導教授 ： 陳世叡

國立中央大學/工學院/機械工程學系/碩士(2013年)

摘要

隨著微機電元件的普遍運用與近期能源與環保議題受大眾的重視，於是本研究提出利用半導體製程製作出一微型磁電式發電機，利用機械能轉換成電能，達到綠色能源的落實，進而達到微機電元件本身無須外加其他電力的目標前進。
本論文設計出一元件在低頻率時，具有兩種不同的共振頻率。將長方體懸臂樑，挖空變成U形懸臂樑，在中間再鑲入一彈簧，彈簧為雙螺旋組成，即可使元件有兩個不同的低頻共振頻率，也降低懸臂樑的剛性，使其振動幅度變大，
首先利用模擬軟體，設計出的元件第一共振頻率為242.9 Hz第二共振頻率為299.661 Hz，第一共振頻為螺旋本身的共振頻率，而第二共振頻為U形懸臂樑本身的共振頻率，當螺旋在頻率229.661 Hz時，雖然不是在其共振頻率，但是會被U形懸臂樑一起帶動，使其也產生振動，相同的在242.9 Hz時，U形懸臂樑也會振動，但振動量不大。模擬中也發現，兩個元件在共振頻率不同時，其位移方向會不一樣，在第一共振頻率時兩元件運動方向相同，但在第二共振頻率時運動方向互相相反。
在製程方面，使用<100>矽晶圓當基材，利用KOH蝕刻至20 μm，配合電鍍技術製作出18 μm的銅線圈，最後使用RIE讓元件釋放懸空，製程環境與機台由中央大學微光電無塵室提供。
最後量測元件發電特性，因線圈有不同順序且振動方向在不同共振頻率也有不同，量測出來會有兩種結果，Ⅰ.當接線方式U形懸臂樑與螺旋線圈方向相反時，在第一共振頻率時運動方向相同，故其相位會相反，量測開路電壓為1 mV，第二共振頻率時運動方向相反，故其相位會相同，量測開路電壓為1.03 mV;Ⅱ.U形懸臂樑與螺旋線圈方向相同時，在第一共振頻率時運動方向相同，故其相位會相同，量測開路電壓為1.19 mV，第二共振頻率時運動方向相反，故其相位會相反，量測開路電壓為0.2 mV。量測最大發電量為U形懸臂樑與螺旋線圈方向相同，在頻率211 Hz，可產生8.9 nW。

關鍵字

微機電 ； 電磁式發電機

並列摘要

This paper reports a duo-mode vibration structure for increasing usable bandwidth in micromachined electromagnetic energy harvester. The proposed energy harvester is built on edge-released MEMS structures coupled by a U-shape cantilever and spiral diaphragms that are designed to reduce flexural rigidity and lower resonant frequency. Compared to a pure cantilever harvester, the proposed cantilever-spiral coupled energy harvester has lower resonant frequencies and larger bandwidth. The power output at mode 1 and 2 of the energy harvester are measured as a function of the load resistance. In case of the energy harvester with connection #1, a maximum power of 7.6 and 7.5 nW is delivered to a 27.8 Ω at mode 1 and mode 2 resonances; with connection #2, a maximum power of 8.9 nW is delivered to a 27.8 Ω at mode 1 resonances when the load resistance is equal to the coil resistance.

並列關鍵字

mems ； electromagnetic generator

參考文獻

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