静电式振动能量采集方法的理论基础

    6.3.1  静电式振动能量采集方法的理论基础

    静电式振动能量采集方法通过改变电容来产生电能，在振动能量采集结构开始输出电能之前，需要对电容施加初始电压，当外界环境振动引起电容中储存电荷量发生改变时，在回路中形成电荷流动，从而为负载提供电能。与其他振动能量采集方法相比，静电式振动能量采集方法的优势在于它和IC工艺兼容性强，可以利用相对成熟的硅微机械技术制作MEMS可变电容，从而更有利于为无线传感器等小型装置供电。

    我们知道，电容器的电容取决于导体的极数形状、尺寸和极数间绝缘物质的介电常数，最常见的电容器为平行板电容器。当忽略边缘效应时，电容器电容值为

     (6 -16)

式中：S为两平行极板相互覆盖的有效面积(m2)；d为平行极板间的距离(m)；ε为极板间介质的介电常数(F．m-l)；εr为相对介电常数；ε0=8.85×10-12F．m-1为真空介电常数，可以通过改变空气层的厚度或电极的重叠面积或两极板间的介质进行电容值的调谐。

    MEMS可变电容的优点在于高Q值、宽调谐范围、低噪声、体积小、质量小等。MEMS可变电容可分为平行板结构和叉指结构。其中，平行板结构可变电容通过调节在微机械弹簧悬浮面上的电极与衬底电极间的垂直距离，实现电容值的调节；叉指结构可变电容包括面积调谐可变电容和距离调谐可变电容，即通过改变梳状交错程度来调节电容或通过改变梳状相对距离来调节电容。

    依据MEMS可变电容原理的不同，静电式振动能量采集结构可以分为基于平行板可变电容的振动能量采集结构、基于面积调谐叉指可变电容的振动能量采集结构和基于距离调谐叉指可变电容的振动能量采集结构，如图6 -2所示。

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