非定常環境振動から電力自給可能なマイクロエレクトロニクス

能够在不稳定环境振动下实现自给自足电力的微电子技术

• 批准号: 20J14049
• 负责人: 遠山 幸也
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J14049/
• 关键词: MEMS; 振動発電素子; エナジーハーベスタ; 振動発電; 広帯域発電素子; 整流昇圧回路

昨年度に引き続き、発電機構の構造密度を高め、電気的なダンピングを増強することによる広帯域振動発電素子のデバイス施策及び評価に取り組んだ。発電素子のデザインを見直すことで試作プロセス上のＭＥＭＳの深堀りエッチング構造のアスペクト比を変更するなど製作条件を緩和し、特性評価用のデバイスを実現した。評価用デバイスの外部振動印加時の機械特性、及び負荷接続時の電気的な周波数特性の測定を行った。その結果、出力端子につける負荷の大きさを変更することで発電量の周波数特性が変化し、30 Hz ほどの共振周波数のシフトを伴いながら帯域を変化することが確認できた。この結果は広帯域特性を持つ振動発電素子の設計のみならず、接続する後段回路によって共振周波数を大幅に変化させるシステムの可能性を示唆する結果である。また、発電に関わるエレクトレットの帯電電位を変化させることにより、最も帯域の広くなる条件間において 30 Hz 程度帯域が向上することが確認できた。こちらの結果により、これまで理論的な静電モデルと電気回路シミュレータ上の等価回路モデルを用いたシミュレーションを用いて提案していた広帯域発電素子の設計手法を実証した。また、これまで取り組んだ微小な電圧の発電量の回収を可能とする低しきい値の整流昇圧回路についての実験結果を学術論文としてまとめ、投稿・採択された。従来の共振型発電素子と整流昇圧回路を組み合わせることで微小非定常振動のもとでの昇圧性能が向上した結果、及び発電素子の帯域の向上した結果をそれぞれ投稿し、原著論文として採択されている。以上より、発電素子と後段回路それぞれで発電特性の広帯域化を実現する手法を示し、回路を含めた発電システムとして広帯域性能を実現するための方法論を提案したといえる。

继去年之后，我们通过增加发电机构的结构密度和增加电阻尼，对宽带振动发电元件进行了装置测量和评估。通过在原型制作过程中审查发电元件的设计并改变MEMS深蚀刻结构的纵横比，我们放宽了制造条件并创建了用于特性评估的设备。我们测量了施加外部振动时评估装置的机械特性，以及连接到负载时的电气频率特性。结果，确认了通过改变施加到输出端子的负载的大小，发电量的频率特性改变，并且频带随着谐振频率的偏移约30Hz而改变。该结果不仅暗示了设计具有宽带特性的振动发电元件的可能性，而且暗示了通过连接的下游电路可以显着改变谐振频率的系统的可能性。另外，通过改变参与发电的驻极体的充电电位，确认了频带在频带最宽的条件之间改善了约30Hz。这些结果证明了宽带发电元件的设计方法，该方法是通过使用理论静电模型和电路模拟器上的等效电路模型进行模拟而提出的。此外，将迄今为止进行的能够恢复微小电压下的发电量的低阈值整流升压电路的实验结果总结为学术论文，并提交并接受。我们提交了通过组合传统的谐振发电元件和整流升压电路来改善微小非稳定振动下的升压性能的结果，以及改善发电元件的频带的结果，这些结果被接受为原始论文。综上所述，可以说，我们已经展示了一种实现每个发电元件和后续电路的宽带发电特性的方法，并且提出了一种用于实现作为包括该电路的发电系统的宽带性能的方法。

项目成果

Equivalent Circuit Model for MEMS Vibrational Energy Harvester Compatible with Sinusoidal and Nonsinusoidal Vibrations

与正弦和非正弦振动兼容的 MEMS 振动能量采集器的等效电路模型

• DOI: 10.18494/sam.2020.2821
• 发表时间: 2020
• 期刊: Sensors and Materials
• 影响因子: 1.2
• 作者: Honma Hiroaki;Tohyama Yukiya;Ikeno Sho;Toshiyoshi Hiroshi
• 通讯作者: Toshiyoshi Hiroshi

Power enhancement of MEMS vibrational electrostatic energy harvester by stray capacitance reduction

• DOI: 10.1088/1361-6439/ac2e46
• 发表时间: 2021-12-01
• 期刊: JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING
• 影响因子: 2.3
• 作者: Honma, Hiroaki;Tohyama, Yukiya;Toshiyoshi, Hiroshi
• 通讯作者: Toshiyoshi, Hiroshi

Enlargement of Frequency Bandwidth of Vibrational MEMS Energy Harvester by High Density Electrets

利用高密度驻极体扩大振动 MEMS 能量收集器的频率带宽

• 发表时间: 2020
• 作者: Hiroaki Honma;Yukiya Tohyama;Hiroyuki Mitsuya;Hisayuki Ashizawa;Hiroshi Toshiyoshi
• 通讯作者: Hiroshi Toshiyoshi

Bandwidth Broadening of MEMS Vibration Energy Harvesters by Voltage-Boost Rectifier Circuit

通过升压整流电路拓宽 MEMS 振动能量收集器的带宽

• 发表时间: 2022
• 期刊: Sensors and Materials
• 影响因子: 1.2
• 作者: Yukiya Tohyama;Hiroaki Honma;Hiroshi Toshiyoshi;and Daisuke Yamane
• 通讯作者: and Daisuke Yamane

Energy Harvesting from Non-Stationary Vibrations Using a Low-Threshold Voltage-Boost Rectifier Circuit

使用低阈值升压整流器电路从非稳态振动中收集能量

• DOI: 10.1541/ieejsmas.141.228
• 发表时间: 2021
• 期刊: IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines
• 作者: Tohyama Yukiya;Honma Hiroaki;Sekiya Hidehiko;Toshiyoshi Hiroshi;Yamane Daisuke
• 通讯作者: Yamane Daisuke