MEMS導(dǎo)向梁式壓電能量收集器的設(shè)計與分析

逍遙設(shè)計自動化

引言
$ y4 K5 B5 {* r/ |$ F壓電振動能量收集器(P-VEH)能將環(huán)境機械振動轉(zhuǎn)換為電能。本文探討MEMS導(dǎo)向梁式P-VEH的設(shè)計和分析，重點研究雙梁和四梁結(jié)構(gòu)以及中心質(zhì)量塊的配置[1]。

器件結(jié)構(gòu)與工作原理
導(dǎo)向梁式P-VEH由兩端固定的梁和中心的金字塔形質(zhì)量塊構(gòu)成。結(jié)構(gòu)采用氧化鋅(ZnO)作為壓電材料，夾在金屬電極之間。當(dāng)環(huán)境振動導(dǎo)致梁產(chǎn)生位移時，產(chǎn)生的應(yīng)力通過壓電效應(yīng)生成電勢。

圖1：導(dǎo)向四梁P-VEH的設(shè)計結(jié)構(gòu)，展示了梁的配置和中心質(zhì)量塊。


圖2：截面視圖顯示了層疊結(jié)構(gòu)，包括硅基底、氧化物絕緣層、金屬電極和ZnO壓電層。
1 P. c1 V4 j: u6 `
器件采用硅基底，上面是熱氧化物絕緣層，然后是金屬電極(Au/Al)和ZnO壓電層。鈍化層保護ZnO免受環(huán)境退化。梁的典型尺寸為長2500μm，寬2000μm，中心質(zhì)量塊尺寸為3500μm × 3500μm。

3 ~7 D/ ]8 }0 K) L( e性能分析與特性
關(guān)鍵性能參數(shù)包括共振頻率、位移、應(yīng)力分布和產(chǎn)生的電勢。這些特性通過有限元方法(FEM)模擬進行分析。

3 h2 ~5 O3 G/ h- u) S* ?0 r7 \% \; u圖3：FEM模擬顯示四梁結(jié)構(gòu)在5μm梁厚度下的共振頻率為335.96Hz。
7 g" c3 @8 ?4 j! J: h9 j7 V
1 Q$ P& |5 ~2 E6 z. O0 T共振頻率主要取決于梁的尺寸和質(zhì)量塊。為實現(xiàn)最佳能量收集效果，此頻率應(yīng)與環(huán)境振動頻率匹配。根據(jù)梁厚度的不同，器件展示出335.96Hz到1631.4Hz的共振頻率范圍。


圖4：沿梁長度的位移和von Mises應(yīng)力分布，顯示在固定端和導(dǎo)向端的最大值。
; p2 x/ {1 Q$ B; R" k/ U: ~- F
, a2 z3 v3 A" f2 _  V; W當(dāng)受到外部加速度(1-5g)時，梁在靠近質(zhì)量塊的導(dǎo)向端表現(xiàn)出最大位移。應(yīng)力分布在固定端和導(dǎo)向端都顯示峰值，在梁中心處應(yīng)力最小。這種應(yīng)力模式通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生電勢。

雙梁與四梁配置的比較
雙梁和四梁結(jié)構(gòu)的性能比較揭示了重要的設(shè)計考慮因素。

圖5：(a)導(dǎo)向雙梁和(b)導(dǎo)向四梁P-VEH的設(shè)計結(jié)構(gòu)，顯示不同的梁配置。

' h9 M. ?  B) M: ?9 {
0 y$ W; v3 \2 _( b6 N, t圖6：第一模態(tài)共振頻率比較，顯示雙梁為1535.2Hz，四梁為2141.1Hz。

) W3 l* {3 Y5 E1 O4 x  |四梁配置具有以下優(yōu)勢：
9 J! @' h2 l  f/ d5 c3 @0 _由于應(yīng)力分布在多個梁上，運行更穩(wěn)定
- G% F& W5 G* j. w! ?6 e% L7 s較低的位移減少了與器件封裝的碰撞風(fēng)險
7 }0 r; a: q1 W8 L/ N每個梁的應(yīng)力較小，可靠性更高
當(dāng)所有梁連接時，總電勢輸出更高

四梁結(jié)構(gòu)每個梁產(chǎn)生的電勢約為雙梁設(shè)計的一半，但四個梁的總電勢超過雙梁配置。
, e' w* B7 q( K/ n, s$ d$ O* b
分離電極優(yōu)化
2 A8 P7 S" c% H! _. ?. O為有效收集拉伸和壓縮應(yīng)力產(chǎn)生的能量，分離電極設(shè)計非常必要。
) d- U7 U1 U4 u5 L2 {" Q
# Q1 E4 z, y; i圖7：沿梁長度的應(yīng)力和位移變化，顯示分離電極放置的最佳區(qū)域。

1 s& r5 Y. Q# H. M2 W優(yōu)化研究顯示三個不同區(qū)域：

A區(qū)(0-675μm)：最大拉伸應(yīng)力

B區(qū)(675-1825μm)：線性過渡區(qū)

C區(qū)(1825-2500μm)：最大壓縮應(yīng)力
& r, M2 y  s5 t
分離電極T1和T2分別戰(zhàn)略性地放置在A區(qū)和C區(qū)，以實現(xiàn)能量收集最大化。
這種優(yōu)化的電極配置表現(xiàn)出：
+ G: a7 a$ k# \6 M: _; x" w. z$ E( f

與全長電極相比，具有較低的共振頻率

改進的位移特性

運行過程中增強的電容變化
% k! G# W& j; W! ~# Y

& [7 H4 e0 a' K" D/ j0 o圖8：電極長度對位移和電容的影響，顯示在675μm長度時的最佳性能。

* b9 q; j  a5 a優(yōu)化的675μm長度分離電極設(shè)計顯示：

在1g加速度下最大位移為3.11422μm

最高電容變化達190.59026pF

與全長電極相比，位移提高19.26%

本文展示了導(dǎo)向梁式P-VEH器件，特別是具有優(yōu)化分離電極的四梁配置，適合機械能量收集應(yīng)用。所提供的設(shè)計考慮因素和分析為開發(fā)用于驅(qū)動小型電子系統(tǒng)的高效能量收集器件提供了有價值的見解。

參考文獻
  [( q8 T" n, H) d2 R% _4 G% r% P[1] S. Saxena, R. Sharma, and B. D. Pant, "Design and Development of MEMS based Guided Beam Type Piezoelectric Energy Harvester," in Energy Systems in Electrical Engineering. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.

" ^& c. S, K. `1 hEND


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