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逢甲大学自动控制工程学系专题制作专题文.pdf

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逢甲大学自动控制工程学系专题制作专题文.pdf

逢甲大學自動控制工程學系專題製作專題論文微型發電機之製作與量測DesignandMeasurementofMicroGenerator指導教授鄒慶福專題生黃正翰林政德中華民國九十六年六月ii誌謝光陰似箭,在逢甲大學自動控制工程學系四年的時間,轉眼間即將踏入一段更新也更高的的求學領域,回想當初入學時的懵懵懂懂,以及剛踏入微機電領域之初所面臨的難題,很開心能夠學到技術往更高殿堂邁進感謝所有師長在課業上及生活上所給予的指導與關懷。特別是指導老師鄒慶福老師,他讓我們有更多的機會與時間去投入微機電的領域,提供我們一些經驗與方向,使我們在輕鬆快樂的環境下盡情的揮灑我的興趣與熱情,也在他有遠見的觀念下,使我人生的視野更加的開拓。而在專題執行的這段期間,也要特別感謝專題指導學長騰憲,在他辛苦努力的帶領之下,才有今天實驗的成果。以及MSTA實驗室學長鴻忠、建儒、哲煒,在實驗上給予我們不斷的指導與協助,專題才順利完成,讓我們內心倍感溫暖。在此感謝所有逢甲大學自動控制工程學系老師、學長以及提供我們專題所需儀器設備的逢甲大學自動控制學系,學生才能完成此專題,恩師教誨,永銘於心。iii摘要為提供目前微小系統元件對具自生性之微型能量供應器的需求,本專題提出ㄧ以聲波致動方式來發電並應用於手機發電系統。本專題主要研究方向為將已完成微型發電機的結構,進行電性量測的測試,期望在特定的限制範圍內,以最小面積產生較高的能源密度。本專題以電磁式的感應機制為基礎,利用磁鐵與對應固定線圈位置改變,線圈收集磁鐵所產生磁通量變化,而磁鐵對應固定線圈位置的改變是由外部的聲音源震動薄膜結構所引起。本專題所提出之結構的設計包含了三大主軸分別為震動薄膜結構、感應線圈與永久磁鐵。而本專題期望將此元件可以運用於手機上面,而由於人體所發出的音頻範圍約在60Hz2KHz之間,所以為了驗證這樣的設計方法的可行性,將先利用振動學公式,將結構之共振頻率設計於一固定頻域的範圍。至於元件的量測的部份,將利用實驗室學長騰憲製作完成之線圈結構與振動薄膜結構先進行元件Bounding的動作,以進行電性量測。量測架構則為先利用LDV測量出元件之共振頻率,已驗證是否與當初模擬結果符合之後在利用精密的三用電錶樑測出元件的輸出電壓值。iv目錄誌謝.......................................................................................................................ii摘要......................................................................................................................iv目錄......................................................................................................................iv圖目錄..................................................................................................................vi表目錄..................................................................................................................ix第一章緒論............................................................................................................11.1前言................................................................................................................11.2研究動機與目的............................................................................................21.3文獻回顧........................................................................................................3第二章微型發電之設計概念..................................................................................72.1微型發電機之理論分析.................................................................................72.2微型發電機之設計概念.................................................................................9第三章理論模擬與元件尺寸設計........................................................................103.1AnsoftMaxwellEM模擬討論.....................................................................103.2元件尺寸設計...............................................................................................123.2.1振動結構設計123.2.2永久磁鐵...163.2.3感應線圈設計.......17第四章製程規劃....................................................................................................194.1線圈製程.......................................................................................................194.2線圈製程結果...............................................................................................224.3懸浮結構製程...............................................................................................244.4懸浮結構製程結果.......................................................................................274.5元件組裝.......................................................................................................28第五章元件量測........................................................................................................30v5.1量測架構......................................................................................................305.2量測結果......................................................................................................31第六章結論................................................................................................................336.1結論..............................................................................................................336.2後續研究......................................................................................................33參考文獻.............................................................................................................34vi圖目錄圖1.1微型發電機等效圖..........................................................................................4圖1.2a螺旋式彈簧設計概念.....................................................5圖1.2b微型發電機彈簧結構.................................................................................5圖1.3a單組磁鐵微型發電機示意圖..6圖1.3b雙組磁鐵微型發電機示意圖..6圖2.1微型發電機之結構示意圖..............................................................................8圖2.2聲波致動式發電機等效模型..........................................................................9圖2.3微型發電機設計概念示意圖..........................................................................9圖3.1邊長小於1000µm於垂直距離0100um之磁場強度分部曲線...............11圖3.2邊長大於1000µm於垂直距離0100µm之磁場強度分部曲線...............11圖3.3微型發電機之幾何參數於結構上之對應....................................................14圖3.4a結構之第一共振膜態與共振頻率...........................................................15圖3.4b結構之第二共振膜態與共振頻率15圖3.4c結構之第二共振膜態與共振頻率15圖4.1線圈與振動結構分別設計於不同晶圓之示意圖........................................19圖4.2線圈結構製程流程圖方法一.....................................................................20圖4.3線圈結構製程流程圖方法二.....................................................................21圖4.4a線圈結構第一道光罩圖...........................................................................22圖4.4b線圈結構第二道光罩圖...........................................................................22圖4.5電鑄鎳所使用參數其時間與厚度之關係....................................................23圖4.6線圈結構電鑄鎳完成後之OM圖...............................................................23圖4.7線圈結構於鎳/鉻蝕刻完成後之OM..................23圖4.8線圈結構於矽基材蝕刻完成後之OM圖...................................................24圖4.9懸浮結構製程流程圖25圖4.10a懸浮結構第一道光罩圖.........................................................................26

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