驻极体微型振动能量采集器的优化设计及非线性拓调频机制研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51705429
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0512.微纳机械系统
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Exploring low-cost, easy-integrated and self-sustained energy harvesting technologies has become a key issue for the further advancement of micro energy research and Internet of things (IoT). Currently, the micro energy harvesting encounters mainly three challenges, including low output power, lack of interface circuit and poor frequency response. In order to solve these problems, the current research is focused on the electret-based vibration energy harvesters (e-VEHs) from electrical design perspective. To optimize the charge flow, a three-plate e-VEH with opposite charged electrets has been proposed. The device is fabricated with bulk silicon micromachining technologies integrated with carbon nanotube formation methods. An integrated electrical model of e-VEH has been established for the first time, incorporating mechanical vibration, energy conversion and interface circuit. This model has the potential of revealing the rules of energy generation, transfer and dissipation in e-VEH systems. Meanwhile, the feedback impact of interface circuit on the nonlinear electromechanical coupling effect as well as frequency tuning possibilities is investigated. This research could provide a basic reference for the system-level optimization of electret energy harvesting systems.
探索低成本、易集成和绿色环保的微型能量采集技术为无线传感器供电已成为微能源领域和物联网技术进一步发展亟待解决的关键问题。针对当前微型能量采集器面临的能量输出性能低、接口电路不完善和频响特性差等三个主要问题,本项目拟以基于驻极体的微型振动能量采集器为研究对象,以体微硅加工和碳纳米纤维的微纳集成制造为基础,从研究电荷流动和电路设计出发,提出一种利用相反电荷驻极体三极板结构以优化电荷产生和循环的设计方法,并建立包含机械振动、能量转化和接口电路的一体化驻极体能量采集系统整体电路模型,从而揭示机电耦合过程中的能量转化、传递和耗散规律;同时从电气系统角度,进一步探索接口电路的反向耦合对驻极体能量采集系统非线性的影响和可能的调频作用,为基于驻极体能量采集技术的整体优化提供基础的理论依据。

结项摘要

针对当前振动能量收集技术在频响特性、接口电路和输出性能等三方面的技术瓶颈,本研究以基于驻极体的微型振动能量采集器为研究对象,分别展开了研究并取得了以下成果:①在频响特性提升方面,本项目提出了利用非线性和多模态振动相耦合的拓频机理,首次建立了驻极体发电非线性多模振动俘能理论模型,实现了宽频带输出;②在接口电路方面,本项目首次实现了驻极体发电结构和外接电路的一体化建模,系统评估了全波整流和AC-DC转换电路的稳态性能;③在输出性能方面,提出了利用相反电荷驻极体实现性能倍增输出的设计方法,并拓展到柔性多层俘能结构,将驻极体俘能与中国传统折纸理念相结合,进一步提升了输出性能,为驻极体能量收集技术的整体优化和性能提升提供了基础的理论依据和实现方法。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(9)
专利数量(3)
Piezoelectric ZnO thin films for 2DOF MEMS vibrational energy harvesting
用于 2DOF MEMS 振动能量收集的压电 ZnO 薄膜
  • DOI:
    10.1016/j.surfcoat.2018.11.102
  • 发表时间:
    2019-02-15
  • 期刊:
    SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Tao, Kai;Yi, Haiping;Chang, Honglong
  • 通讯作者:
    Chang, Honglong
Origami-inspired electret-based triboelectric generator for biomechanical and ocean wave energy harvesting
受折纸启发的基于驻极体的摩擦发电机,用于生物力学和海浪能量收集
  • DOI:
    10.1016/j.nanoen.2019.104197
  • 发表时间:
    2020-01-01
  • 期刊:
    NANO ENERGY
  • 影响因子:
    17.6
  • 作者:
    Tao, Kai;Yi, Haiping;Yuan, Weizheng
  • 通讯作者:
    Yuan, Weizheng
Modelling and analysis of an out-of-plane electret-based vibration energy harvester with AC and DC circuits
具有交流和直流电路的平面外驻极体振动能量收集器的建模和分析
  • DOI:
    10.1016/j.ymssp.2020.106660
  • 发表时间:
    2020-06
  • 期刊:
    Mechanical Systems and Signal Processing
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Zhaoshu Yang;Lihua Tang;Liuding Yu;Kai Tao;Kean Aw
  • 通讯作者:
    Kean Aw
Modelling and Validation of Electret-Based Vibration Energy Harvesters in View of Charge Migration
从电荷迁移角度对基于驻极体的振动能量收集器进行建模和验证
  • DOI:
    10.1007/s40684-019-00156-8
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology
  • 影响因子:
    4.2
  • 作者:
    Yang Zhaoshu;Tang Lihua;Tao Kai;Aw Kean C
  • 通讯作者:
    Aw Kean C
Miura-origami-inspired electret/triboelectric power generator for wearable energy harvesting with water-proof capability.
受 Miura 折纸启发的驻极体/摩擦发电机,用于具有防水功能的可穿戴能量收集
  • DOI:
    10.1038/s41378-020-0163-1
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Microsystems & nanoengineering
  • 影响因子:
    7.9
  • 作者:
    Tao K;Yi H;Yang Y;Tang L;Yang Z;Wu J;Chang H;Yuan W
  • 通讯作者:
    Yuan W

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其他文献

MEMS中永磁材料的微细加工技术研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    传感器与微系统
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陶凯;丁桂甫;杨卓青;王佩红;吴义伯;汪红;王艳
  • 通讯作者:
    王艳
足底软组织硬化对足部生物力学性能影响的三维有限元分析
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    李云婷
韧带和跖腱膜在足部有限元分析中的力学作用
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
    生物医学工程学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王成焘;王冬梅;王旭;陶凯
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    陶凯
优化施肥模式对我国热带地区水稻-豇豆轮作系统N_(2)O和CH_(4)排放的影响
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    10.13227/j.hjkx.201905095
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  • 期刊:
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    --
  • 作者:
    胡玉麟;汤水荣;陶凯;何秋香;田伟;秦兴华;伍延正;孟磊
  • 通讯作者:
    孟磊
基于VMD-JAYA-LSSVM的短期风电功率预测
  • DOI:
    10.14107/j.cnki.kzgc.20190288
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    控制工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陶凯;吴定会
  • 通讯作者:
    吴定会

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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