雙頻帶微型電磁式發電機之研製

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：31

、訪客IP：3.145.156.2

姓名

吳嘉殷(Jia-Yin Wu) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

雙頻帶微型電磁式發電機之研製

相關論文

★ 經驗模態分解法之清醒與麻醉情形下的腦波特徵判別	★ CMOS-MEMS電容式加速度計之設計與製作
★ 銅電鍍製程於微小結構製作之應用	★ 平面雙軸式磁通閘之分析與應用
★ 低頻振動能量擷取器之設計	★ 聲波聚焦噴墨搭配菲涅爾透鏡之設計
★ 微粒子於溶液中操控之模擬	★ 應用希爾伯特黃轉換以C語言環境開發腦機介面訊號處理
★ 平面雙軸式磁通閘之製作與改良	★ 單一自由度微型電熱鑷子之設計與分析
★ 加工液濁度檢測器之設計	★ Underwater Position Control of Particles
★ 立體微型振動發電機之研製	★ 三維導電微成型技術開發應用於微機電系統之研究
★ 用於電火花加工的油質感測器	★ 油液污濁度檢測器之設計與改良

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

至系統瀏覽論文 ( 永不開放)

摘要(中)

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。

摘要(英)

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.

關鍵字(中)

★ 微機電
★ 電磁式發電機

關鍵字(英)

★ mems
★ electromagnetic generator

論文目次

摘要 i
Abstract iii
誌謝 iv
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 xiii
第1章緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 環境振動發電背景 2
1.4 文獻回顧 3
1.5 章節提要 8
第2章基礎理論 9
2.1 共振頻率 9
2.2 電磁發電原理 11
2.3 振動能轉換電能原理 12
第3章 CoventorWareTM模擬與分析 16
3.1 CoventorWareTM環境介紹 16
3.1.1材料性質(material) 17
3.1.2光罩設計(Mask Design) 17
3.1.3製程(Process) 17
3.1.3.1 Conformal Shell 17
3.1.3.2 Planar Fill 18
3.1.3.3 Stacked Deposit 18
3.1.3.4蝕刻(Straight Cut) 18
3.1.3.5去除(Delet) 18
3.1.4三維模型(Modal/Mesh) 18
3.1.5 Analyzer 19
3.2 彈簧測試模擬 21
3.2.1材料選擇 21
3.2.2光罩設計 22
3.2.3製程(Process) 22
3.2.4三維模型(Modal/Mesh) 22
3.2.5分析設定 22
3.2.6分析結果 23
3.3 U形懸臂樑與彈簧結合元件模擬 29
3.3.1模型設定 29
3.3.2設計與製程 30
3.3.3光罩尺寸 30
3.3.4三維模型建立 32
3.3.5 Mesh建立與設定固定端 33
3.3.6分析設定 33
3.3.7分析結果 33
第4章元件製作 39
4.1 製程原理 39
4.2.1 KOH開口 39
4.1.2厚光阻(Thickness Photo Resist) 39
4.1.3蒸鍍金屬(Thermal Coater) 40
4.1.4電鍍銅(Electroplating Copper) 41
4.1.5反應性離子蝕刻(RIE) 42
4.2 光罩設計 42
4.2.1 KOH背蝕刻 42
4.2.2電鍍線圈 43
4.2.3 RIE尺寸 44
4.3 製造流程 45
4.3.1 KOH濕蝕刻 45
4.3.2蒸鍍種子層 45
4.3.3電鍍銅 46
4.3.4釋放元件 46
第5章元件量測 50
5.1實驗架構 50
5.2單獨懸臂樑 52
5.2.1開路電壓量測 52
5.2.2功率量測 53
5.2.3改變振動幅度量測 55
5.3 U型懸臂樑與彈簧結合微型發電機 55
5.3.1 開路電壓量測 55
5.3.1.1 線路接法 55
5.3.1.2 U型懸臂樑開路掃頻電壓量測 57
5.3.1.3彈簧開路掃頻電壓量測 58
5.3.1.4整合元件 59
5.3.1.4.1整合元件#1 60
5.3.1.4.2整合元件#2 62
5.3.2 功率量測 65
5.3.2.1 U形懸臂樑功率量測 65
5.3.2.2螺旋功率量測 66
5.3.2.3整合元件#1功率量測 69
5.3.2.4整合元件#2功率量測 71
5.3.3 改變磁鐵位置量測開路電壓 73
5.3.3.1 U形懸臂樑 73
5.3.3.2彈簧 74
5.3.3.3元件整合#1 74
5.3.3.4元件整合#2 75
第6章結論與未來展望 77
6.1 結論 77
6.2 未來展望 77
參考文獻 78
附錄A 元件製作流程表 82
附錄B 製程設備照片 85

參考文獻

[1] Mateu L and Moll F 2005 Review of energy harvesting techniques and applications for microelectronics. Proc. SPIE. 5837 , 359–373.
[2]維基百科
[3]Koeneman P B, Busch-Vishniac I J and Wood K L 1997 Feasibility of micro power supplies for MEMS. Microelectromechanical Systems, Journal of. 6(4) 355-362.
[4]Beeby S P, Tudor M J and White N 2006 Energy harvesting vibration sources for microsystems applications. Meas. Sci. Technol. 17(12) R175-195.
[5]De Pasquale G and Soma A 2008 Investigations on energy scavenging methods using MEMS devices. Semiconductor Conference, 2008. CAS 2008. International. IEEE pp.113-116.
[6]Roundy S, Leland E S, Baker J, Carleton E, Reilly E, Lai E, Otis B, Rabaey J. M, Wright P K and Sundararajan V 2005 Improving power output for vibration-based energy scavengers. Pervasive Computing, IEEE. 4(1) 28-36
[7]Meninger S, Mur-Miranda T O, Amirtharajah R, Chandrakasan A and Lang J 1999 Vibration-to-electric energy conversion. Low Power Electronics and Design, 1999. Proceedings. 1999 International Symposium on.pp48-53
[8]Williams C B and Yates R B 1996 Analysis of a micro-electric generator for microsystems. Sensors and Actuators A: Physical. 52(1) 8-11.
[9]Williams C B, Shearwood C, Harradine M A, Mellor P H, Birch T S and Yates R B 2001 Development of an electromagnetic micro-generator. Circuits, Devices and Systems, IEE Proceedings. 148(6) 337-342.
[10] Beeby S, Tudor M, Koukharenko E, White N, O’Donnell T, Saha C, Kulkarni S and Roy S 2004 Micromachined silicon generator for harvesting power from vibrations. The 4th International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS 2004). pp104-107
[11]Sari I, Balkan T and Kulah H 2008 An electromagnetic micro power generator for wideband environmental vibrations. Sensors and Actuators A: Physical. 145–146(0) 405-413.
[12]Kulah H and Najafi K 2008 Energy Scavenging From Low-FrequencyVibrations by Using Frequency Up-Conversion for Wireless Sensor Applications. Sensors Journal, IEEE. 8(3) 261-268
[13]Sari I, Balkan T and Kulah H 2009 An Electromagnetic Micro Power Generator for Low Frequency Environmental Vibrations based on the Frequency Up-Conversion Technique. Micro Electro Mechanical Systems, 2009. MEMS 2009. IEEE 22nd International Conference on.pp.1075-1078
[14]Zorlu O, Turkyilmaz S, Muhtaroglu A and Kulah H 2013 An electromagnetic energy harvester for low frequency and low-g vibrations with a modified frequency up conversion method. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2013 IEEE 26th International Conference on.pp.805-808
[15]Zhang Q, Chen S J, Baumgartel L, Lin A and Kim E S 2011 Microelectromagnetic energy harvester with integrated magnets. Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS), 2011 16th International.pp.1657-1660
[16]Quan Y, Xuming S, Dong-Ming F and Haixia Z 2011 Design and microfabrication of integrated magnetic MEMS energy harvester for low frequency application. Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS), 2011 16th International. pp.1855-1858
[17]Linkopoulos T M, Wenjin Z and Ahn C H 1996 Electroplated thick CoNiMnP permanent magnet arrays for micromachined magnetic device applications. Micro Electro Mechanical Systems, 1996, MEMS ’96, Proceedings. An Investigation of Micro Structures, Sensors, Actuators, Machines and Systems. IEEE, The Ninth Annual International Workshop on.pp79-84
[18]Arnold D P 2007 Review of Microscale Magnetic Power Generation. Magnetics, IEEE Transactions on. 43(11) 3940-3951.
[19]University Of Connecticut, UCONN ANSYS –Module 10: Free Vibration of an Undampened 1D Cantilever Beam.
http://www.engr.uconn.edu/~cassenti/AnsysTutorial/Modules_APDL/Module%2010_Vibrations.pdf, 2013.10.
[20] Michael J. Martin and Brian H. Houston 2008 Frequency Response of Nanoelectromechanical Cantilevers Operating in Fluid. Nanotechnology, 2008. NANO ’08. 8th IEEE Conference on.pp.303-306
[21]Chapman原著,黃昌圳、王孟輝、鄭進興、鄭世平、曾文森編譯，電機機械，高立圖書有限公司，台灣台北，2006，pp31-32.
[22]Singiresu S. Rao, Mechanical Vibrations(4 Edition in SI Units), Prentice Hall Pub.Co,2005, pp239-242.
[23]C. B. Williams, R. C. Woods, and R. B. Yates 1996 Feasibility study of a vibration powered micro-electric generator. in Proc. IEE Colloq. Compact Power Sources (Digest No. 96/107).pp.7/1–7/3.
[24]姚志民 2011 『微機電設計模擬軟體CoventorWare訓練課程及微系統設計分析課程』國家高速網路與計算中心
[25]T. R. Hsu, Mems And Microsystems , J. Wiley Pub. Co., 2008, pp.324
[26]http://www.inems.com/mems_course_area/02_fabrication/miniaturization/patterntransfer/bulk/bulkmicromachining.htm
[27]J. Brockris, D. M. Drazie, Electro-Chemical Science, Taylor and Francis Ltd, London, 1972.
[28]莊達人，VLSI製造技術，高立圖書出版社，台北市，2001，pp.269-272
[29] 周瓊茹，以電子束微影及反應性離子蝕刻製作深次微米圓柱陣列，國立中正大學物理研究所，2006
[30] Julian W. Gardner, Vijay K. Varadan, Osama O. Awadelkarim, Microsensors, MEMS, and smart devices, J. Wiley Pub. Co., 2002, pp119
[31]楊明豐，電子學Ⅱ，旗立資訊股份有限公司，台北市，2007，pp9.35-36

指導教授

陳世叡(Shih-Jui Chen)

審核日期

2013-11-5

推文