Введение
1 Предпосылки и современное состояние развития электростатических микроэлектромеханических генераторов 12
1.1 Автономные источники питания 12
1.1.1 Беспроводные сенсорные сети 12
1.1.2 Источники энергии в окружающей среде 13
1.1.3 Характеристики источников механических колебаний 14
1.1.4 Архитектура микроэлектромеханических генераторов 15
1.2 Преобразователи энергии механических колебаний 17
1.2.1 Оценка максимальной мощности 17
1.2.2 Сравнение основных типов преобразователей 19
1.2.3 Конструкции электростатических преобразователей
1.3 Особенности проектирования преобразователей с изменением межэлектродного зазора 24
1.4 Электрические схемы электростатических генераторов
1.4.1 Электрические схемы c последовательным включением элементов 27
1.4.2 Электрические схемы на основе зарядового насоса 28
1.4.3 Электрические схемы на основе дупликатора Беннета 30
1.5 Постановка задачи 31
2 Проектирование электростатического преобразователя 33
2.1 Расчет электрической емкости и электростатической силы 33
2.1.1 Методика расчета электрической емкости 34
2.1.2 Расчет электрической емкости 37
2.1.3 Электростатические силы
2.2 Выбор конструкции и создание преобразователя 46
2.3 Экспериментальные установки и методика эксперимента
2.3.1 Установка для исследования работы генератора при силовом возбуждении 52
2.3.2 Установка для исследования работы генератора при кинематическом возбуждении 53
2.3.3 Методика определения глубины модуляции емкости 55
2.4 Выводы по Главе 2 56
3 Исследование работы электростатических генераторов при силовом возбуждении 59
3.1 Генератор с последовательным включением элементов 59
3.2 Генератор с параллельным включением элементов
3.2.1 Генератор с одним переменным конденсатором 64
3.2.2 Генератор с двумя переменными конденсаторами 69
3.2.3 Анализ влияния параметров диодов на работу схемы
3.3 Генератор с резистивной обратной связью 76
3.4 Генератор на основе дупликатора Беннета
3.4.1 Генератор с одним переменным конденсатором 79
3.4.2 Анализ влияния обратных токов диодов 83
3.4.3 Анализ влияния емкостей диодов 86
3.4.4 Анализ влияния напряжения пробоя 87
3.4.5 Генератор с двумя переменными конденсаторами 88
3.4.6 Генератор на основе дупликатора Беннета с повышенным током подзаряда 90
3.5 Выводы по Главе 3 93
4 Исследование работы low- электростатических микроэлектромеханических генераторов при кинематическом возбуждении 97
4.1 Механическая модель преобразователя, используемая в расчетах 98
4.2 Оценка допустимого диапазона перемещений подвижного электрода и напряжений в двухэлектродных МЭМС
4.2.1 Статический анализ в линейном приближении 103
4.2.2 Динамический анализ в линейном приближении 104
4.2.3 Динамический анализ в нелинейном приближении 109
4.3 Оценка допустимого диапазона перемещений подвижного электрода и напряжений в трехэлектродных МЭМС 112
4.3.1 Статический анализ симметричной конструкции в линейном приближении 113
4.3.2 Статический анализ несимметричной конструкции в линейном приближении 119
4.3.3 Динамический анализ МЭМС с гребенчатой конструкцией электродов в линейном приближении 121
4.3.4 Динамический анализ МЭМС с гребенчатой конструкцией в нелинейном приближении 126
4.4 Исследование работы микроэлектромеханических генераторов при кинематическом возбуждении 132
4.4.1 Схема с последовательным включением элементов и одним переменным конденсатором 133
4.4.2 Генератор на основе дупликатора Беннета 146
4.4.3 Встречно-штыревой преобразователь 148
4.4.4 Электростатический генератор на основе дупликатора Беннета с источником питания в цепи переменного конденсатора 153
4.5 Выводы по Главе 4 157
Заключение 161
Список литературы 167
