Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Данный проект направлен на разработку теоретических основ, методики проектирования и создание электростатических микроэлектромеханических преобразователей (МЭМП) и микрогенераторов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС). С использованием численных расчетов, в том числе метода конечных элементов, проведено моделирование различных конструкций МЭМП и выполнен их сравнительный анализ. Определены основные достоинства и недостатки каждой конструкции. За отчетный период были построены и проанализированы математические модели микроэлектромеханических преобразователей (МЭМП) с различными конструкциями и схемами включения: – Для преобразователя имеющего гребенчатую структуру с изменением перекрытия электродов и схемой включения на основе удвоителя Беннета с источником питания в цепи переменного конденсатора была построена SPICE-модель с учетом электромеханических взаимодействий, получены временные зависимости выходного напряжения и мощности на нагрузке. Было обнаружено, что наличие электростатической силы сдвигает резонансную частоту колебаний подвижного электрода в область более высоких частот, что может вносить существенный вклад в работу преобразователя и влиять на его характеристики, что необходимо учитывать при разработке и проектировании МЭМП и микрогенераторов на их основе. – Для преобразователя с трехэлектродной конструкцией, изменением межэлектродного зазора и двухконденсаторной схемой включения была построена математическая модель с учетом взаимного влияния электрических и механических сил при воздействии многочастотных колебаний, имеющих случайный характер. Предложена методика расчета характеристик МЭМП. Для двух источников механических колебаний выполнены оценки мощности, выделяемой в сопротивлении нагрузки. Установлено, что даже при квазигармоническом характере механических колебаний учет распределения их мощности в полосе частот существенно повышает точность расчета электрических характеристик МЭМП. С целью обеспечения необходимого напряжения питания для устройств потребляющих энергию от микрогенераторов были исследованы схемы бестрансформаторных делителей напряжения. Были получены результаты экспериментального и теоретического исследования влияния числа ячеек бестрансформаторного диодно-конденсаторного делителя напряжения, длительности цикла, собственных емкостей диодов и емкостей дополнительных конденсаторов на зависимости максимального и минимального напряжений на нагрузке в установившемся режиме от сопротивления нагрузки для нескольких схем бестрансформаторных диодно-конденсаторных делителей напряжения. Обнаружено, что при увеличении сопротивления нагрузки коэффициент деления напряжения не сохраняется. В результате при изменении параметров схемы делителя надо каждый раз заново оценивать коэффициент деления. Установлено, что такое поведение характеристик делителей обусловлено наличием собственных емкостей диодов. Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитать характеристики исследованных схем бестрансформаторных диодно-конденсаторных делителей. Показано их хорошее соответствие экспериментальным данным. Таким образом, их можно использовать на этапе предварительного проектирования систем, использующих бестрансформаторные диодно-конденсаторные делители напряжения. В целом, проведенный анализ и развиваемый подход, позволяют существенно сузить диапазон поиска необходимых параметров системы на этапе предварительного проектирования и сократить время проектирования. В итоге, полученные аналитические выражения и теоретические зависимости, а также разработанные модели, алгоритмы и программное обеспечение позволяют существенно сузить диапазон поиска необходимых значений параметров преобразователя. Разработанная методика проектирования преобразователей, позволяет получить необходимые для изготовления в рамках технологии микроэлектроники параметры преобразователя.