Принципы построения электростатических МЭМС преобразователей энергии вибрации в электрическую энергию

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-10182

НазваниеПринципы построения электростатических МЭМС преобразователей энергии вибрации в электрическую энергию

Руководитель Остертак Дмитрий Иванович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" , Новосибирская обл

Конкурс №76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-704 - Микро- и наноэлектромеханические устройства

Ключевые слова Микроэлектромеханические системы, микроэлектромеханический преобразователь, энергетический харвестер, микрогенератор, преобразование энергии, переменный конденсатор, электрическая ёмкость, удвоитель Беннета

Код ГРНТИ47.14.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку теоретических основ, методики проектирования и создание электростатических микроэлектромеханических источников питания (микрогенераторов), преобразующих энергию присутствующих в окружающей среде механический колебаний в электрическую энергию и позволяющих заменить традиционные батареи и аккумуляторы, которые требуют периодической замены или подзарядки. Проект по данному направлению является пионерским в России.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Остертак Д.И., Драгунов В.П., Коваленко Е.Ю. Microelectromechanical Converter Performance under Random Multiple-Frequency Vibrations 24 International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), 24 International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM) : proc., Novosibirsk, 29 June – 3 July 2023. – Novosibirsk : IEEE, 2023. – P. 280–283. (год публикации - 2023)
10.1109/EDM58354.2023.10225022

2. Драгунов В.П., Остертак Д.И., Казымов Д.М., Коваленко Е.Ю. Features of the voltage divider for kinetic energy storage devices and hydrogen batteries International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 65, P. 582-592. (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.03.360

3. Драгунов В.П., Остертак Д.И., Синицкий Р.Е., Кузнецов М.А., Драгунова Е.В. Diode-capacitor voltage divider for electrostatic microelectromechanical generator E3S Web of Conferences, Vol. 458, Art. 01002 (9 p). (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202345801002

4. Остертак Д.И., Кузнецов М.А., Драгунов В.П. The effect of electromechanical coupling on the Bennet doubler based vibration energy harvester 2023 IEEE XVI International Scientific and Technical Conference "Actual Problems of Electronic Instrument Engineering" (APEIE), 10-12 November, 2023, Novosibirsk, 2023 IEEE XVI International Scientific and Technical Conference Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE), Novosibirsk, Russian Federation, P. 170-174. (год публикации - 2023)
10.1109/APEIE59731.2023.10347875

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках второго этапа проекта направленного на разработку теоретических основ, методики проектирования и создание электростатических микроэлектромеханических преобразователей (МЭМП) и микрогенераторов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) было выполнено следующее: - Проведен анализ характеристик наиболее распространенных в окружающей человека среде источников механических колебаний. - Исследованы особенности работы кинетического микрогенератора с пониженным выходным напряжением. Установлено, что при анализе работы диодно-конденсаторного делителя напряжения необходимо учитывать собственные (обратные) емкости разрядных диодов, значительно влияющих на функционирование делителя. Обнаружены и проанализированы особенности поведения делителя при изменении сопротивления нагрузки и собственных емкостей разрядных диодов. Получены аналитические выражения, связывающие основные характеристики микрогенератора в целом с параметрами используемых электронных компонентов. Показано, что для расширения области «правильного» деления делителя необходимо использовать разрядные диоды с минимальными собственными емкостями, а также, что подключение к удвоителю Беннета нагрузки в виде делителя напряжения изменяет допустимую глубину модуляции емкости переменного конденсатора. - Экспериментально и теоретически исследованы особенности работы бестрансформаторных делителей напряжения с транзисторно-диодной коммутацией переключаемых конденсаторов, предназначенных для работы в составе маломощных автономных электронных систем с пониженным выходным напряжением. Проведен анализ особенностей функционирования делителей при работе от постоянно подключенного или подключаемого периодически источника напряжения неограниченной мощности. Установлено, что КПД делителя при работе от постоянно подключенного первичного источника напряжения неограниченной мощности очень мал, а при работе от источника напряжения неограниченной мощности, подключаемого периодически, может достигать 60%. Показано, что при работе делителя напряжения с транзисторно-диодной коммутацией переключаемых конденсаторов от источника напряжения ограниченной мощности, подключаемого к делителю периодически, КПД может достигать лишь 40%. Установлено, что, в схемах с транзисторно-диодной коммутацией конденсаторов стабилизирующий эффект значительно сильнее, чем в схемах с диодной коммутацией конденсаторов. - Исследованы особенности работы модифицированной схемы удвоителя Беннета в сочетании с транзисторным делителем напряжения для устройств сбора кинетической (механической) энергии. Показано, что совместная схема удвоителя Беннета и транзисторного делителя может быть эффективно использована в устройствах для сбора кинетической энергии. Эта схема позволяет снизить высокие выходные напряжения и может предотвратить неограниченный рост заряда и напряжения, что характерно для схемы удвоителя Беннета. - Представлены результаты исследований особенностей функционирования двухэлектродных микроэлектромеханических систем с изменяющимся межэлектродным зазором в процессе запуска с учетом постоянной силы и электромеханических взаимодействий в нелинейном приближении для возвращающей и электростатической сил. Показано, что на работу таких МЭМС существенное влияние оказывают не только начальное состояние и параметры системы, но и скорость изменения подаваемого электрического напряжения. Найдены аналитические выражения, позволяющие определить область параметров нормированной жесткости и нормированной силы, при попадании в которую в случае квазистатического изменения приложенной разности потенциалов, на зависимостях относительного смещения подвижного электрода от нормированного напряжения будут наблюдаться точки неустойчивого равновесия. При возбуждении МЭМС скачком напряжения в виде ступеньки получены выражения, позволяющие при произвольных параметрах системы построить сепаратрисы, ограничивающие области начальных условий, при которых в системе установятся периодические автоколебания. Получены аналитические выражения для расчета размаха таких автоколебаний. - Разработан и изготовлен с применением интегральной технологии микроэлектроники электростатический микрогенератор. В результате исследований электростатического микрогенератора энергии были получены его основные характеристики. Для последовательной схемы включения наибольшее значение выходной нормированной мощности при резонансной частоте составило около 600 нВт/g при оптимальном сопротивлении нагрузки 30 МОм. Для микрогенератора со схемой удвоителя Беннета при гармоническом воздействии наибольшая величина нормированной мощности достигла величины 110 нВт/g при частоте 85 Гц. Для случайного характера колебаний пиковая мощность составила около 8 нВт для колебаний оконного стекла, выходящего на оживленную улицу, и 6 нВт для деревянного пола, колеблющегося вследствие работы бытового холодильника. В целом полученные значения мощности сопоставимы с показателями ведущих мировых разработок.

Публикации

1. Драгунов В.П., Остертак Д.И., Казымов Д.М., Коваленко Е.Ю., Кузнецов М.А. Транзисторный делитель напряжения для МЭМС на переключаемых конденсаторах Электронная техника. Серия 3: Микроэлектроника (год публикации - 2024)

2. Остертак Д.И., Коваленко Е.Ю., Драгунов В.П., Казымов Д.М., Кузнецов М.А. The Bennet Doubler Circuit with a Transistor Voltage Divider for Kinetic Energy Harvesters 2024 IEEE 3rd International Conference on Problems of Informatics, Electronics and Radio Engineering (PIERE), 2024 IEEE 3rd International Conference on Problems of Informatics, Electronics and Radio Engineering (PIERE): proc., Novosibirsk, 15-17 November 2024. - IEEE, 2024. (год публикации - 2024)

3. Драгунов В.П., Остертак Д.И., Синицкий Р.Е. Влияние параметров запуска на функционирование микроэлектромеханических систем Нано- и микросистемная техника, Т. 26, № 5, с. 245-256 (год публикации - 2024)
10.17587/nmst.26.245-256

4. Драгунов В.П., Остертак Д.И., Казымов Д.М., Коваленко Е.Ю. Особенности функционирования делителя напряжения для накопителей кинетической энергии и водородных батарей Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология, Т. 420, № 3, с. 71-80. (год публикации - 2024)
10.15518/isjaee.2024.03.071-080

5. Драгунов В.П., Остертак Д.И., Синицкий Р.Е., Драгунова Е.В. Кинетический вибрационный микрогенератор с пониженным выходным напряжением для производства водорода Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология, Т. 425, № 8, с. 111-124. (год публикации - 2024)
10.15518/isjaee.2024.08.111-124

6. Остертак Д.И., Драгунов В.П., Кузнецов М.А. The Influence of Initial Parameters on the Operation of Microelectromechanical Systems 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), 25 International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM–2024) : proc., Altai, 28 June – 2 July 2024. – IEEE, 2024. – P. 110–115. (год публикации - 2024)
10.1109/EDM61683.2024.10615184

7. Драгунов В.П., Остертак Д.И., Казымов Д.М., Коваленко Е.Ю., Кузнецов М.А. Транзисторный делитель напряжения для маломощных МЭМС Электронная техника. Серия 3: Микроэлектроника (год публикации - 2024)