高性能MEMS电磁能量采集器的永磁-软磁耦合双稳态结构设计与实现

本综述推荐一种创新的永磁-软磁耦合双稳态架构，通过将坡莫合金磁路集成于微螺线管内，显著提升匝数密度与磁通密度（flux density）。该设计利用反平行磁对实现闭磁路极性反转（polarity-reversible），最大化磁通变化率，使机电耦合系数（electromechanical coupling）提升10倍至0.14。结合双稳态非线性刚度调控，在0.5g弱激励下实现74Hz宽频带（24-98Hz）高能阱间振荡，输出电压82.8mV，功率163.2μW，归一化功率密度达1.8·104μW·cm-3·g-2，为物联网（IoT）自供能传感节点提供关键技术支撑。

　　

Enhanced electromechanical coupling (EMC) with polarity-reversible effect

相较于空芯平面线圈，本研究提出的微螺线管不仅能实现匝数显著增加，还能通过聚集流经拾取线圈的磁通来强化磁通密度。如图4(a)所示，由气隙、坡莫合金磁对和磁轭构成的闭磁路可有效降低磁阻（reluctance），而磁路极性反转机制（polarity-reversible mechanism）可进一步提升机电转换效率。这一设计通过最大化磁通变化率（flux variation rate），为微尺度下的强机电耦合提供了保障。

Test platform setup

根据表1所列参数，通过图2所示的微加工工艺制备了MEMS能量采集器，并采用微力/微位移测量平台（Femto-Tools AG, ZH, Switzerland）验证前文建立的磁力与磁通模型（图8(a)）。考虑到双稳态结构在稳定平衡点A与C之间的不稳定性（典型双稳态势能曲线如图8(b)所示），测试过程中通过精密位移控制平台逐步调整磁体间距，记录磁力与磁通变化数据。实验结果表明，磁路极性反转时的磁通变化率达理论值的92.3%，显著优于传统开磁路设计。

Conclusions

本文提出了一种新型永磁-软磁耦合双稳态架构，全面提升了MEMS电磁能量采集器的性能。与典型微型电磁能量采集器相比，采用闭磁路集成的微螺线管在微尺度下实现了强化的机电耦合效应。通过增加匝数和极性反转机制，机电耦合系数提升10倍，分别带来6倍和37倍的电压（82.8mV）与功率（163.2μW）提升。在0.5g弱激励下，全集成原型机展现出74Hz（24-98Hz）的连续阱间振荡带宽，覆盖100Hz以下74%的频域。批量化加工工艺更实现了1.8·10⁴μW·cm^-3·g^-2的超高归一化功率密度，为工业生产与日常生活中广泛分布的弱振动能量采集提供了极具潜力的解决方案。