MEMS壓電能量收集器的設(shè)計(jì)和分析

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
壓電振動(dòng)能量收集器（P-VEH）通過(guò)將環(huán)境振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能來(lái)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。本文探討三種主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其比較分析，以及慣性質(zhì)量形狀對(duì)收集器性能的影響[1]。

0 R  z' W" Y" q! I( C% j$ O# T單梁懸臂能量收集器
$ p% O, p* k( c7 C2 j基本設(shè)計(jì)由一端固定另一端自由的懸臂梁組成，壓電層夾在電極之間。當(dāng)外部振動(dòng)對(duì)自由端施加力時(shí)，梁會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生曲率并生成電勢(shì)。
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圖1顯示了(a)單梁懸臂的基本結(jié)構(gòu)和(b)在施加力下的梁偏轉(zhuǎn)模式。

( R+ ~" u% e: s- U這類收集器的共振頻率取決于彈簧常數(shù)和有效質(zhì)量。在自由端添加慣性質(zhì)量可顯著降低共振頻率，更適合收集低頻環(huán)境振動(dòng)。

. ~+ J" a  y# T! J) S7 M3 Y圖2展示了添加慣性質(zhì)量如何將共振頻率從1593.1 Hz降低到764.05 Hz，包括(a)自由端懸臂共振和(b)帶有慣性質(zhì)量的懸臂共振。


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圖3說(shuō)明了單梁懸臂的有限元模擬結(jié)果及其沿梁長(zhǎng)度的位移特性，顯示在自由端處達(dá)到最大位移。
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陣列式懸臂收集器
懸臂陣列設(shè)計(jì)包含多個(gè)不同長(zhǎng)度的梁，以擴(kuò)大工作頻率范圍。這種配置使收集器能夠響應(yīng)各種振動(dòng)頻率，提高了適應(yīng)性。
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5 S8 \5 x( \, O* k, L8 X7 U圖4展示了三個(gè)懸臂的發(fā)生器陣列，

圖5顯示了懸臂陣列系統(tǒng)的位移特性，表明每個(gè)梁具有不同的共振頻率。
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: L# T/ t: u1 O0 p4 J! o導(dǎo)向梁結(jié)構(gòu)
+ S& y$ d; n" z2 |兩端固定且中心有慣性質(zhì)量的導(dǎo)向梁結(jié)構(gòu)比單梁設(shè)計(jì)具有更好的穩(wěn)定性和可靠性。這些結(jié)構(gòu)能夠承受更高的應(yīng)力，同時(shí)保持受控位移。
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圖6呈現(xiàn)了導(dǎo)向雙梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的本征模式。

圖7顯示了導(dǎo)向梁結(jié)構(gòu)的位移與弧長(zhǎng)特性。
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慣性質(zhì)量形狀的影響
$ H; j2 z( b& _: }: q+ F& r( j慣性質(zhì)量的形狀對(duì)收集器的性能有顯著影響。研究了三種主要形狀：矩形、金字塔形和三角形。
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% n+ E' ^' G5 Q( c1 E0 J: b圖8展示了三種慣性質(zhì)量配置：(a)比率r=0時(shí)的三角形，(b)r=0.4時(shí)的金字塔形，(c)r=1時(shí)的矩形。
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3 ?+ a: D# c, \' H$ l圖9顯示了(a)不同r值的位移與弧長(zhǎng)關(guān)系和(b)位移曲線的詳細(xì)視圖。


  i  g! x  X% G9 P( b: I8 U圖10呈現(xiàn)了(a)馮米塞斯應(yīng)力分布和(b)不同慣性質(zhì)量形狀的詳細(xì)應(yīng)力分析。

分析表明，三角形慣性質(zhì)量比矩形產(chǎn)生更高的電勢(shì)，質(zhì)心位置在能量收集效率中發(fā)揮關(guān)鍵作用。三角形形狀產(chǎn)生2.064V，而矩形形狀產(chǎn)生2.060V，顯示出能量收集能力的明顯提升。

4 M3 w$ o+ }# \) H) D) f3 N不同的壓電材料會(huì)影響導(dǎo)向梁收集器的性能。氧化鋅（ZnO）在雙梁和四梁配置中都表現(xiàn)出比PZT-5H和氮化鋁（AlN）更優(yōu)越的電勢(shì)生成能力，這使其成為器件制造的最佳選擇。

對(duì)各種收集器設(shè)計(jì)及其特性的全面理解，使工程師能夠?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他需要可持續(xù)電源的應(yīng)用開(kāi)發(fā)更高效的能量收集解決方案。

參考文獻(xiàn)
[1] S. Saxena, R. Sharma and B. D. Pant, "Design and Development of MEMS based Guided Beam Type Piezoelectric Energy Harvester," Energy Systems in Electrical Engineering, Singapore: Springer, 2021.

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