MEMS導(dǎo)向梁式壓電能量收集器的設(shè)計(jì)與分析

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
壓電振動(dòng)能量收集器(P-VEH)能將環(huán)境機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能。本文探討MEMS導(dǎo)向梁式P-VEH的設(shè)計(jì)和分析，重點(diǎn)研究雙梁和四梁結(jié)構(gòu)以及中心質(zhì)量塊的配置[1]。
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4 Q  V6 r9 i5 H; i' A3 p器件結(jié)構(gòu)與工作原理
7 V6 B: U8 B) X7 _5 {+ V$ B( B' d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(dòng)導(dǎo)致梁產(chǎn)生位移時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力通過(guò)壓電效應(yīng)生成電勢(shì)。

圖1：導(dǎo)向四梁P-VEH的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，展示了梁的配置和中心質(zhì)量塊。
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" ]5 L( x, u0 O, L# q- C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。

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(hù)ZnO免受環(huán)境退化。梁的典型尺寸為長(zhǎng)2500μm，寬2000μm，中心質(zhì)量塊尺寸為3500μm × 3500μm。
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: F$ z8 X$ T8 k' H" @5 Y  M性能分析與特性
+ `: P# R8 c8 U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(shì)。這些特性通過(guò)有限元方法(FEM)模擬進(jìn)行分析。
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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。

# e) k' Y0 T% O; N3 P共振頻率主要取決于梁的尺寸和質(zhì)量塊。為實(shí)現(xiàn)最佳能量收集效果，此頻率應(yīng)與環(huán)境振動(dòng)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。
8 ?9 d3 [. Y2 ]- b& J% M5 b

圖4：沿梁長(zhǎng)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。

當(dāng)受到外部加速度(1-5g)時(shí)，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(guò)壓電效應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)。

! \  m) A% D) x& ~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(jì)考慮因素。
% M, a, z$ E: U. x1 z6 h
1 T" h' I& r2 @2 P  G8 n- a圖5：(a)導(dǎo)向雙梁和(b)導(dǎo)向四梁P-VEH的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，顯示不同的梁配置。
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( L) Z/ {1 }7 A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。
+ D! \: _' Y0 n; u
四梁配置具有以下優(yōu)勢(shì)：
由于應(yīng)力分布在多個(gè)梁上，運(yùn)行更穩(wěn)定
1 P( P  F: i! F0 ~/ X& g, g較低的位移減少了與器件封裝的碰撞風(fēng)險(xiǎn)
每個(gè)梁的應(yīng)力較小，可靠性更高
$ U0 o; \( y! u9 r3 |當(dāng)所有梁連接時(shí)，總電勢(shì)輸出更高

% }+ B5 v5 E4 O$ W四梁結(jié)構(gòu)每個(gè)梁產(chǎn)生的電勢(shì)約為雙梁設(shè)計(jì)的一半，但四個(gè)梁的總電勢(shì)超過(guò)雙梁配置。

( S1 `1 q4 }$ D2 t' n分離電極優(yōu)化
/ p- k+ g$ E7 ^) r7 t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(jì)非常必要。

圖7：沿梁長(zhǎng)度的應(yīng)力和位移變化，顯示分離電極放置的最佳區(qū)域。

優(yōu)化研究顯示三個(gè)不同區(qū)域：
" o6 a1 ^9 `: C2 o  u

A區(qū)(0-675μm)：最大拉伸應(yīng)力

B區(qū)(675-1825μm)：線(xiàn)性過(guò)渡區(qū)

C區(qū)(1825-2500μm)：最大壓縮應(yīng)力

( G2 D: p3 S# P& `& f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(shí)現(xiàn)能量收集最大化。
這種優(yōu)化的電極配置表現(xiàn)出：
" W# e: i' d  d0 M% I& b

與全長(zhǎng)電極相比，具有較低的共振頻率

改進(jìn)的位移特性

運(yùn)行過(guò)程中增強(qiáng)的電容變化
% C( Q5 r, [/ A; W) `) ]$ Y$ R9 B

圖8：電極長(zhǎng)度對(duì)位移和電容的影響，顯示在675μm長(zhǎng)度時(shí)的最佳性能。

優(yōu)化的675μm長(zhǎng)度分離電極設(shè)計(jì)顯示：
% v. i3 m; V0 U0 p* |  }# o

在1g加速度下最大位移為3.11422μm

最高電容變化達(dá)190.59026pF

與全長(zhǎng)電極相比，位移提高19.26%
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# |; y3 V: y8 O' [) [8 K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(jī)械能量收集應(yīng)用。所提供的設(shè)計(jì)考慮因素和分析為開(kāi)發(fā)用于驅(qū)動(dòng)小型電子系統(tǒng)的高效能量收集器件提供了有價(jià)值的見(jiàn)解。
+ T$ a: L" Y0 p! [4 z# j
參考文獻(xiàn)
' |0 U7 Z& B  s- S5 j0 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.

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