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[技术] 电磁式微小发电机技术

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发表于 2008-12-1 10:23:42 | 显示全部楼层

电磁式微小发电机技术

电磁式微小发电机技术<br />前言<br /><br />由于电子、资讯及通讯等3C产品均朝向无线化、可携带化方向发展,对于产品的各项高性能元件也往「轻、薄、短、小」的目标迈进,因此对于体积小、重量轻、能量密度高的二次电池需求相当迫切。但是大量生产过程中也会耗损大量的地球资源,并且产生许多的回收及环保问题。因此微小型发电机的开发,可望对新世代的储能产品开创新契机,微小发电机除了能自主发电以供给微小元件所需的电力;也可以当作能源回收的工具,配合目前大力发展的二次电池及微燃料电池使用,可以增加能源的使用效率及延长电池的使用寿命。针对以上所提,目前微小电力系统的发展,以压电式、热感应及震动电磁式发电机等三类符合需求。三者中又以电磁式发电机最具优势,有感测频率高、发电量大、及製程整合容易的优点,可以达到省能、长效性及提高发电效率的种种需求,并且可以在机械所现有实验室所具有的技术基础上来建构发展,以广泛的应用在微光纤开关、机翼微扰流板、微继电器、微马达、微帮浦等微机电元件以及下一世代的各种微型可携式装置及奈米元件,满足其电力需求。在电磁式微发电机的研究领域,如图一所示:以M.I.T. 的所开发的微发电机拥有最大的输出功率100 μW,且将及设计之微发电机与低耗电的积体电路元件结合。香港大学Wen J. Li在2000年针对震动式微小发电机设计与製作做完整讨论;以雷射加工製作弹簧结构搭配感应线圈製作微发电机,发电功率可达10μW。Motorola 也在2002年推出可供行动电话充电用的手摇电磁发电机。从市场需求角度及研究发表文件日益增加来看,未来电磁式微小发电机的研发成果是可以期待的。本文即针对电磁式微小发电机原理及基本架构做介绍,内容包含平面线圈、永磁材料及弹簧结构等部份。<br /><br />&#160;<br /><br />平面线圈<br /><br />线圈依其几何形状可概分为螺线管线圈(solenoid coil)与平面线圈(plan coil)两种。依照安培定律,当流通线圈上的电流值固定时,磁场与线圈圈数成正比关係,因此常见螺线管线圈做为磁场导线时,其缠绕线圈数量愈多愈好,但平面线圈则受限于製作方法,大部份皆往平面并扩大发展,使用微机电技术则有可能性发展多平面线圈且做到小尺寸但有密集圈数。因磁场是一向量,以螺线管为例,各导线附近分佈的磁场(B)其实为各导线磁场向量和,所以整根螺线管通电流后总磁场分佈仍依据右手定则,与电流流通螺线管的方向相同。线圈传输导体(Coil transconduction, T) 表示线圈感应效率,为线圈数目(N)与线圈电阻值(R)的函数并表示如下:<br /><br />其中,当缠绕线圈匝数(winding)之电阻值以线圈之几何形状参数来表示时,则T将与线圈圈数平方成正比关係,式中之NA表示实际匝数剖面积而充填係数(filling fraction, β)则与缠绕剖面形状有关,当缠绕剖面形状为圆形时有最大值(0.9)而当缠绕剖面形状为矩形时其值为0.89。而线圈能量损耗则可表示为磁动势 (Magnetomotive force, NI)与T的比值关係,如式所示:<br /><br />图二表示振动式微小发电机之系统方块图,其主要的运转机制为透过机械式振动产生磁场与导线圈之间的相对运动,将机械能转换为电能输出。因此动态磁场变化与感应电动势之间的关係如图二所示。<br /><br />&#160;<br /><br />永磁材料<br /><br />磁性材料可分类为三种:永久磁铁、电磁铁与超导磁铁。永久磁铁的组成大部份为铝镍钴(AlNiCo)、铁氧体(Ferrite)与稀土永磁材料。磁性较强且受到时间影响的因素比一般软磁铁来得低。永磁材料自1930年开始发展,已商业化且大致可分类为Fe、Al、Co、Ni合金等组成之磁铁、铁氧体磁铁与稀土类磁铁等三种。其中稀土类磁铁于1960年被发现,由于具有较高之磁能积(B.H)max,因此在体积缩小的情况下仍比其它类磁铁之极能效率来得高,迄今为永磁材料发展的主流。稀土金属包含从原子序57开始的镧系金属和原子序数为39与过渡族金属(Fe, Co, Ni, Mn)等材料。现今发展的材料则为Sm、Co合金,铷铁錋(Nd-Fe-B)合金与铁白金(FePt)合金等,具有之磁能积最小都能达到25 MGOe 以上,其中,SmCo5合金最早商业化,铷铁錋合金具有现今最高之磁能积(53 MGOe)。在应用上,对永久磁铁的要求有:能在某一空间产生一稳定磁场强度,无论是时间改变,温度、振动与冲击等环境变化都需具有稳定表现;本身具有适当的机械性质;适用相关製程、体积与形状的要求;价格合理、製作容易。铁白金(FePt)合金材料在序化相之γ1相结构时具有相当高的磁晶格异向能、高矫顽磁力、热稳定性、良好之抗腐蚀性、垂直异向性与相对具有高磁能积等特性,虽较现今已商业化的铷铁錋合金之磁能积小但对于微机电技术具有良好的形状塑性与较小的体积,适合应用在微小化等之微机电元件中,尤其是垂直异向性之特性,特别适合搭配在微致动器之驱动装置。FePt合金以共镀法(Co-sputtering)搭配功率变化可以调整其成分比,而多层膜结构也是影响晶体组成与磁性质的主要原因之一。此外,FePt层底下之基板与缓冲层对于晶体镀膜方向性与微结构也有蛮大的影响。从文献得知:具(200) 晶格方向的缓冲层搭配上适当的厚度以及适当的退火製程,可得到完全垂直膜面磁化的FePt偏压层并且获得足够大的矫顽场(Hc)及磁能积。为达到 (200)方向之晶格结构,缓冲层镀膜方式以溅镀方法製作而成。影响成长(200)晶格方向之製程因素很多,包含高温镀膜、慢速镀率、真空度、膜厚度、退火与否、退火温度等因素。<br /><br />弹簧结构<br /><br />常见的以微机电技术製作之微弹簧形状如图三所示,其包含了扭转樑、薄膜、Z字形与螺旋形等。以直观判断,扭转樑产生之变形行程非直线式且根据行程量变化,其端点面与水平线之间的角度将随之改变;薄膜式的变形量受限于边界条件限制与变形樑长度限制,故虽能提供垂线式位移但变形量不大;Z字形与螺旋形由于边界条件拘束少且樑长度长,故能提供足够之变形,使用相同材料与相同负载且弹簧长度近似,螺旋形弹簧比Z字形有较大的变形行程且材料根部之最大拉伸应力较小。<br /><br />&#160;<br /><br />结语<br /><br />微小发电机可以应用在可携式产品、光纤开关、微继电器、微马达等元件及各种微元件的电力来源上。目前国内在MEMS元件之研究已经有数年的时间,在元件製程上也具有相当之製程能力及技术;但在微机电元件供电系统技术上还相当有限。以目前微机电製程技术製作微米震动结构及导磁材料,因为本身结构大小的物理条件限制而侷限了电磁式微发电机在灵敏度与发电效率的发展。若能针对薄膜技术加以发展所适合的高灵敏度震动薄膜结构、非等向性磁性薄膜,相信一定能大幅提昇电磁式微小发电机的使用环境及发电效率。因此本技术之开发将有助于国内在微机电或相关产业之发展,同时也促使国内在微机电相关产业之周边技术的建立,提高我国在微机电领域之国际竞争力。&#160;<br /><br />
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