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基于摩擦纳米发电机和mems开关的自供电唤醒系统

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基于摩擦纳米发电机和MEMS开关的自供电唤醒系统

作者：林源广西大学

学位级别：硕士

随着物联网技术的飞速发展,无线传感器网络节点已经广泛应用在环境监测中。数量庞大的传感器节点需要持续稳定的能量供给,这给能量的传输带来了巨大的挑战。传统的传感节点采用电池或者有线的方式供电,这些方法存在使用寿命有限、污染... 详细信息

随着物联网技术的飞速发展,无线传感器网络节点已经广泛应用在环境监测中。数量庞大的传感器节点需要持续稳定的能量供给,这给能量的传输带来了巨大的挑战。传统的传感节点采用电池或者有线的方式供电,这些方法存在使用寿命有限、污染环境和布线复杂等一系列问题,提高了传感器节点的使用成本,尤其在一些环境恶劣、地处偏远的工厂,这大大限制了传感节点的大规模铺设。而自供电技术可以从环境中收集机械能,从而替代电池,为解决传感节点的能量供给问题提供了一种节能环保的方法。摩擦纳米发电机可以将机械能转换为电信号,既可以实现对周围环境的机械能收集,又能够作为传感器识别机械能的信息,这为自供电唤醒系统的实现提供了解决途径。本文设计了一种基于摩擦纳米发电机和mems开关的自供电唤醒系统,该系统可以收集工业环境中的振动机械能,并监测振动的加速度,利用收集到的机械能无线发送异常振动的报警信息,通过上位机接收和分析,最终实现对机械设备振动状态的实时监测。具体研究内容如下:首先,设计并制备了一种集成能量收集与信号采集的摩擦纳米发电机。它由上下两个由弹簧支撑的垂直接触-分离型摩擦纳米发电机组成,对微弱振动有良好的响应,适合收集振动能和捕捉振动信息。随后,研究了这种集成摩擦纳米发电机对不同振动的电压输出规律。研究结果表明,该摩擦纳米发电机对振动的加速度有良好的响应,并可以有效地收集振动的机械能并转换为电能。设计并制造了电源管理模块以提高摩擦纳米发电机的能量收集效率。之后,利用该摩擦纳米发电机搭建了无线自供电唤醒系统。该系统使用mems开关实现通过监测加速度的变化唤醒后端无线发射模块。最后,模拟了工厂的振动环境,在该环境中对系统功能进行了实验验证。实验结果证明了该系统可以在完全没有外部供电的情况下,自主地监测振动加速度,并在异常状态下无线发射报警信息。

关键词：摩擦纳米发电机振动能量收集 mems开关唤醒系统自供电系统

DC～30GHz并联接触式RF mems开关的设计与制造

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光学精密工程 2009年第8期17卷 1922-1927页

作者：侯智昊刘泽文李志坚清华大学微电子学研究所北京100084

对适用于DC～30GHz频率的并联接触式RF mems开关的设计与制造进行了研究。利用低应力电镀Au桥膜作为上电极,实现了接触电极之间的Au-Au接触。使用BorofloatTM玻璃作为衬底,并用隔离电阻对内置射频信号与驱动电极旁路进行隔离;通过对上... 详细信息

对适用于DC～30GHz频率的并联接触式RF mems开关的设计与制造进行了研究。利用低应力电镀Au桥膜作为上电极,实现了接触电极之间的Au-Au接触。使用BorofloatTM玻璃作为衬底,并用隔离电阻对内置射频信号与驱动电极旁路进行隔离;通过对上电极桥膜与CPW间距的优化设计,使开关具有较低的插入损耗。所设计制造的并联接触式RF mems开关的下拉电压为60V,上下电极的接触电阻为0.1Ω。插入损耗为-0.03dB@1GH,-0.13dB@10GHz和-0.19dB@20GHz,在DC～30GHz的插入损耗都-23dB。测试结果表明,所设计的并联接触式RF mems开关适用频率为DC～30GHz,是一种应用频率范围较宽的RF mems开关。

关键词：微机电系统 RF mems开关并联接触

毫米波mems开关自激励机理实验验证结构的模拟与设计

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东南大学学报（自然科学版） 2011年第5期41卷 923-928页

作者：肖建斌廖小平周易东南大学mems教育部重点实验室南京210096

提出了一种新型的毫米波mems开关自激励机理的实验验证结构,该结构由一分四功率分配器和5个相同开关形成的阵列组成.通过CST Microwave Studio和HFSS电磁仿真软件完成了一分四功率分配器和开关阵列的设计.在频率为35 GHz时,一分四功率... 详细信息

提出了一种新型的毫米波mems开关自激励机理的实验验证结构,该结构由一分四功率分配器和5个相同开关形成的阵列组成.通过CST Microwave Studio和HFSS电磁仿真软件完成了一分四功率分配器和开关阵列的设计.在频率为35 GHz时,一分四功率分配器的4个输出端口的隔离度小于-48 dB,同时由于结构的对称性,4个输出端口具有等分功率的性质.这2个特性对开关自激励机理的实验验证的功能实现至关重要.设计的毫米波mems电容式并联开关在35 GHz的插入损耗为0.076 dB,隔离度为-55 dB;设计的毫米波mems直接接触式串联开关在35 GHz具有0.14 dB的插入损耗和-25 dB隔离度.

关键词：毫米波 mems开关自激励实验验证

用于制备高机械可靠性RF mems开关的新型工艺

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光学精密工程 2008年第7期16卷 1213-1217页

作者：胡光伟刘泽文侯智昊李志坚清华大学微电子学研究所北京100084

对介质桥串联接触式RF mems开关的制备工艺进行了研究。介绍了开关的结构,说明了采用常规制备工艺容易在桥膜上形成应力集中,严重影响开关的机械可靠性。通过改进工艺,提出了一种侧向钻蚀刻蚀介质桥膜下金属的方法,获得了平坦的介质桥... 详细信息

对介质桥串联接触式RF mems开关的制备工艺进行了研究。介绍了开关的结构,说明了采用常规制备工艺容易在桥膜上形成应力集中,严重影响开关的机械可靠性。通过改进工艺,提出了一种侧向钻蚀刻蚀介质桥膜下金属的方法,获得了平坦的介质桥膜。最后,给出了完整的开关制备流程。与常规工艺相比,新工艺避免了应力集中问题,提高了开关的机械可靠性,成品率从10%提高到了95%,工作寿命从1000次提高到了2.5×107次。此外,在23.3 V的驱动电压下,开关插入损耗53.2 dB@DC-10 GHz。结果表明该工艺可满足无线通讯对mems开关成品率、寿命和微波性能的要求。

关键词： mems开关接触式开关机械可靠性侧向钻蚀寿命

毫米波mems开关S参数在开关过程中的瞬态变化

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光学精密工程 2011年第3期19卷 593-597页

作者：廖小平肖建斌东南大学mems教育部重点实验室江苏南京210096

研究了静电执行的电容式并联毫米波mems开关的S参数在开关过程中的瞬态变化。以一个电容式并联毫米波mems开关为实例,采用已有的开关一维力学动态模型,建立了开关过程中开关梁与介质层之间的间隙与时间的关系;通过HFSS电磁仿真软件,得... 详细信息

研究了静电执行的电容式并联毫米波mems开关的S参数在开关过程中的瞬态变化。以一个电容式并联毫米波mems开关为实例,采用已有的开关一维力学动态模型,建立了开关过程中开关梁与介质层之间的间隙与时间的关系;通过HFSS电磁仿真软件,得到开关S参数在开关过程中的瞬态变化。结果显示,在开关下拉过程中(用时约9.4μs),插入损耗S21先缓慢减小(从Up态稳定值-0.20 dB缓慢减小到-1.02 dB需时9.11μs,占开关下拉时间的97%),但在下拉时间末段迅速减小;在开关释放过程中(用时约20μs),S21在初段就迅速增大(从Down态的稳定值-20.1 dB迅速增加到-1.16 dB只需1.09μs,占开关释放时间的5.5%)。结果表明,开关从导通信号到阻隔信号的转换时间约为开关的下拉时间;开关从阻隔信号到导通信号的转换时间要比开关的释放时间小一个数量级。

关键词：毫米波开关 mems开关 S参数瞬态变化

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RF mems开关在开关瞬态时的电磁干扰

中国机械工程 2005年第Z1期16卷 129-131页

作者：陆逸敏黄庆安廖小平陈洁东南大学南京210096 东南大学南京210096 东南大学南京210096 东南大学南京210096

针对RF mems开关在开和关瞬态时的充电和放电的过程中的开关电容的变化、极板间电场的变化以及因此而产生的磁场进行了详尽的推导,沈明在开关的瞬态产生的变化电磁场将对信号产生一定程度的干扰.

关键词： mems开关电容电场强度磁场强度

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mems开关中氮化硅薄膜工艺研究

福州大学学报（自然科学版） 2009年第1期37卷 50-53页

作者：许淡清于映福州大学物理与信息工程学院福建福州350002

分析了沉积薄膜厚度、PECVD的薄膜沉积温度、反应气体形成的杂质以及多层薄膜之间热应力匹配等因素对薄膜残余应力的影响.应用光刻分割聚酰亚胺(PI)牺牲层、分层生长氮化硅薄膜及快速热退火等工艺减小薄膜残余应力,成功生长出了合格的... 详细信息

分析了沉积薄膜厚度、PECVD的薄膜沉积温度、反应气体形成的杂质以及多层薄膜之间热应力匹配等因素对薄膜残余应力的影响.应用光刻分割聚酰亚胺(PI)牺牲层、分层生长氮化硅薄膜及快速热退火等工艺减小薄膜残余应力,成功生长出了合格的氮化硅薄膜.

关键词：氮化硅薄膜残余应力 mems开关

驱动信号与微波信号物理隔离的RF mems开关的研究

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中国机械工程 2005年第14期16卷 1254-1258页

作者：朱健郁元卫陆乐贾世星张龙周百令东南大学南京210096 南京电子器件研究所南京210016

针对mems开关在宽带应用时遇到的驱动信号与微波信号间的干扰问题,论述了驱动信号与微波信号物理隔离的多种开关的设计,分析了4种结构形式的mems开关,使用IntelliSuite○R软件进行开关机电耦合分析。在开关总的结构尺寸确定的前提下,使... 详细信息

针对mems开关在宽带应用时遇到的驱动信号与微波信号间的干扰问题,论述了驱动信号与微波信号物理隔离的多种开关的设计,分析了4种结构形式的mems开关,使用IntelliSuite○R软件进行开关机电耦合分析。在开关总的结构尺寸确定的前提下,使用ADS/Momentum场分析软件,微调膜桥和梁的结构参数,通过通孔接地实现微带线与CPWG信号的连接,通过驱动电极的结构和连接方式及与微波信号线间隙的调整,实现了mems开关整体性能的优化。

关键词： mems开关隔离机电耦合电磁场

桥式射频mems开关上电极薄膜的残余应力改进模型

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纳米技术与精密工程 2011年第1期9卷 16-20页

作者：陈俊收尤政李滨清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室清华大学精密仪器与机械学系北京100084

桥式射频(RF)微机电系统(mems)开关的上电极薄膜残余应力影响开关的响应时间、下拉电压等性能参数,降低了开关的可靠性.在分析传统拉伸线模型的基础上,提出了一种改进的残余应力静力学模型,将残余应力扩展到压应力的情况,并可应用于非... 详细信息

桥式射频(RF)微机电系统(mems)开关的上电极薄膜残余应力影响开关的响应时间、下拉电压等性能参数,降低了开关的可靠性.在分析传统拉伸线模型的基础上,提出了一种改进的残余应力静力学模型,将残余应力扩展到压应力的情况,并可应用于非对称均布载荷.选取了一组典型的开关参数,计算了双轴残余应力对两端固支mems薄膜均布载荷下拉挠度的影响.结果表明,在选取的参数条件下,拉应力增大到1 MPa时,薄膜的最大挠度减少7.95%,压应力增大到-1 MPa时,薄膜的最大挠度增加9.47%,与传统模型的计算结果相比,改进模型消除了非线性叠加产生的约0.3%的误差.采用迭代方法计算下拉电压,对两组实验测试数据与模型计算结果进行了验证,模型计算结果与实验数据基本相符.

关键词： mems开关两端固支梁薄膜残余应力