MEMS壓電能量收集器的設(shè)計和分析

逍遙設(shè)計自動化

引言
! |/ }6 @3 ?, [5 v壓電振動能量收集器（P-VEH）通過將環(huán)境振動轉(zhuǎn)換為電能來為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。本文探討三種主要結(jié)構(gòu)設(shè)計及其比較分析，以及慣性質(zhì)量形狀對收集器性能的影響[1]。
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單梁懸臂能量收集器
基本設(shè)計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。當外部振動對自由端施加力時，梁會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生曲率并生成電勢。

, l! r6 V5 c; k0 d1 ^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。
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  J! R# S0 D3 r7 k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。
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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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/ a5 h# t6 Q* N1 |; x- M5 f, a圖3說明了單梁懸臂的有限元模擬結(jié)果及其沿梁長度的位移特性，顯示在自由端處達到最大位移。

陣列式懸臂收集器
懸臂陣列設(shè)計包含多個不同長度的梁，以擴大工作頻率范圍。這種配置使收集器能夠響應各種振動頻率，提高了適應性。
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圖4展示了三個懸臂的發(fā)生器陣列，
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8 V. q$ p/ d9 V圖5顯示了懸臂陣列系統(tǒng)的位移特性，表明每個梁具有不同的共振頻率。
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. c/ O! b4 h- C. m8 y導向梁結(jié)構(gòu)
& v( [: h& k1 D兩端固定且中心有慣性質(zhì)量的導向梁結(jié)構(gòu)比單梁設(shè)計具有更好的穩(wěn)定性和可靠性。這些結(jié)構(gòu)能夠承受更高的應力，同時保持受控位移。
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& U; c( r% Q3 c0 ~& Z圖6呈現(xiàn)了導向雙梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的本征模式。
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, V5 s" I, K2 a9 S. \# S圖7顯示了導向梁結(jié)構(gòu)的位移與弧長特性。
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; V& t" f& w* G; S# p% l+ S慣性質(zhì)量形狀的影響
- d; l/ ^+ D6 i) Y慣性質(zhì)量的形狀對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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圖8展示了三種慣性質(zhì)量配置：(a)比率r=0時的三角形，(b)r=0.4時的金字塔形，(c)r=1時的矩形。

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圖9顯示了(a)不同r值的位移與弧長關(guān)系和(b)位移曲線的詳細視圖。
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2 x+ g; F* J8 B  J圖10呈現(xiàn)了(a)馮米塞斯應力分布和(b)不同慣性質(zhì)量形狀的詳細應力分析。

分析表明，三角形慣性質(zhì)量比矩形產(chǎn)生更高的電勢，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。

不同的壓電材料會影響導向梁收集器的性能。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)越的電勢生成能力，這使其成為器件制造的最佳選擇。

對各種收集器設(shè)計及其特性的全面理解，使工程師能夠為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他需要可持續(xù)電源的應用開發(fā)更高效的能量收集解決方案。

參考文獻
[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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