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文微型發電機之製作與測DesignandMeasurementofMicro-Generator指導教授：鄒慶專題生：黃正翰政德中華民國九十月ii誌謝光陰似箭，在逢甲大學自動控制工程學系四的時間，轉眼間即將踏入一段新也高的的求學域，回想當初入學時的懵懵懂懂，以及剛踏入微機電域之初所面的難題，很開心能夠學到技術往高殿堂邁進；感謝所有師長在課業上及生活上所給予的指導與關懷。特別是指導師鄒慶師，他讓我們有多的機會與時間去投入微機電的域，提供我們一些經驗與方向，使我們在輕鬆快的環境下盡情的揮灑我的興趣與熱情，也在他有遠的觀下，使我人生的視野加的開。而在專題執的這段期間，也要特別感謝專題指導學長騰憲，在他辛苦努的帶之下，才有今天實驗的成果。以及MSTA實驗室學長鴻忠、建儒、哲煒，在實驗上給予我們斷的指導與協助，專題才順完成，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供應器的需求，本專題提出以聲波致動方式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，進電性測的測試，期望在特定的限制範圍內，以最小面積產生較高的能源密。本專題以電磁式的感應機制為基礎，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，所以為驗證這樣的設計方法的可性，將先用振動學公式，將結構之共振頻設計於一固定頻域的範圍。至於元件的測的部份，將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元件Bounding的動作，以進電性測。測架構則為先用LDV測出元件之共振頻，已驗證是否與當初模擬結果符合；之後在用密的三用電錶樑測出元件的輸出電壓值。iv目誌謝.ii摘要.iv目.iv圖目.vi表目.ix第一章緒.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.72.1微型發電機之分析.72.2微型發電機之設計概.9第三章模擬與元件尺寸設計.103.1AnsoftMaxwellEM模擬討.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第五章元件測.30v5.1測架構.305.2測結果.31第章結.336.1結.336.2後續研究.33考文獻.34vi圖目圖1.1：微型發電機等效圖.4圖1.2(a)：旋式彈簧設計概.5圖1.2(b)：微型發電機彈簧結構.5圖1.3(a)：單組磁鐵微型發電機示意圖.6圖1.3(b)：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：微型發電機設計概示意圖.9圖3.1：邊長小於1000m於垂直距0100um之磁場強分部曲線.11圖3.2：邊長大於1000m於垂直距0100m之磁場強分部曲線.11圖3.3：微型發電機之幾何於結構上之對應.14圖3.4(a)：結構之第一共振膜態與共振頻.15圖3.4(b)：結構之第二共振膜態與共振頻15圖3.4(c)：結構之第二共振膜態與共振頻15圖4.1：線圈與振動結構分別設計於同晶圓之示意圖.19圖4.2：線圈結構製程程圖(方法一).20圖4.3：線圈結構製程程圖(方法二).21圖4.4(a)：線圈結構第一道光罩圖.22圖4.4(b)：線圈結構第二道光罩圖.22圖4.5：電鑄鎳所使用其時間與厚之關係.23圖4.6：線圈結構電鑄鎳完成後之OM圖.