MEMS壓電振動能量采集器綜述

逍遙設(shè)計自動化

引言
壓電振動能量采集器(P-VEH)已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)供電的理想解決方案。這類器件通過壓電材料將環(huán)境機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電能，為各種應(yīng)用提供可持續(xù)的電源[1]。
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; @, h( v7 S, h9 T) W9 d7 t圖1：單梁懸臂型壓電振動能量采集器示意圖，展示了基本結(jié)構(gòu)，包括夾在電極之間的壓電層和自由端的地震質(zhì)量。

P-VEH的原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計
8 ]4 v3 w: J+ x9 i$ cP-VEH的基本原理涉及在機(jī)械應(yīng)力作用下產(chǎn)生電荷的懸臂結(jié)構(gòu)。器件通常由夾在上下電極之間的壓電層組成。當(dāng)懸臂梁發(fā)生位移時，整個梁會產(chǎn)生應(yīng)力，特別是在固定端附近，導(dǎo)致壓電層產(chǎn)生電荷。這些電荷隨后通過電極收集。

0 ?6 j0 b3 e4 n圖2：懸臂梁陣列作為帶通濾波器，具有不同的梁尺寸和質(zhì)量塊，設(shè)計用于響應(yīng)不同頻率范圍。

" u& O6 B9 M/ P5 vP-VEH設(shè)計的一個重要進(jìn)展是懸臂梁陣列的開發(fā)。這些陣列由多個具有不同長度、寬度和地震質(zhì)量的梁組成，實現(xiàn)了更寬頻率范圍的能量采集。陣列中的每個懸臂梁都調(diào)諧到特定頻率，有效創(chuàng)建了一個帶通濾波系統(tǒng)，在多個頻率下保持峰值輸出。
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: U. Y% a6 A/ X# q. E! R# d" y$ T% I圖3：雙端固定或?qū)�向梁型P-VEH示意圖，兩端固定并具有中心地震質(zhì)量。

7 `! D" r: w0 V& B: |1 _三種主要結(jié)構(gòu)配置
& D0 E9 n* B* P7 v1. 單梁懸臂結(jié)構(gòu)：這種傳統(tǒng)設(shè)計的一端固定，另一端自由，通常采用單層或雙層壓電材料。雖然由于大位移可以實現(xiàn)低諧振頻率和高輸出，但可能不穩(wěn)定且容易發(fā)生梁斷裂。
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圖4：d33模式懸臂型P-VEH示意圖，具有交叉電極以提高能量采集性能。
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0 |/ q+ y5 m2 {9 P" E8 |7 e, b  l. Z2. 發(fā)生器陣列結(jié)構(gòu)：這些系統(tǒng)采用串聯(lián)或并聯(lián)的多個懸臂梁，提供更寬的頻率響應(yīng)范圍。但由于通常只有一個懸臂梁工作，導(dǎo)致體積輸出比較低，效率受限。
+ d. }  N, h$ D) l' D3 B- p
圖5：雙層懸臂型P-VEH示意圖，顯示具有雙壓電層的分層結(jié)構(gòu)。
$ b( W! m" j- q
2 S9 @! l8 d: {- i  N3. 導(dǎo)向梁結(jié)構(gòu)：這種設(shè)計兩端固定，中心有地震質(zhì)量。提供更好的穩(wěn)定性和可靠性，特別適合高振幅振動環(huán)境和MEMS制造技術(shù)。
" z* @  P8 v: G( W) H9 t: W
P-VEH的制備
; o( E" w% G4 q, e. f9 ~研究人員已探索了不同的壓電材料，包括傳統(tǒng)的PZT（鋯鈦酸鉛）、環(huán)保替代品如KNN（鈉鉀鈮酸鹽）和基于聚合物的材料如PVDF（聚偏二氟乙烯）。

P-VEH生產(chǎn)采用的制造技術(shù)包括：

UV-LIGA技術(shù)用于精確結(jié)構(gòu)形成

射頻磁控濺射用于壓電層沉積

溶膠-凝膠工藝用于厚膜開發(fā)

深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)用于創(chuàng)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)
[/ol]
性能與應(yīng)用
現(xiàn)代P-VEH的性能特征因設(shè)計和應(yīng)用而異：

諧振頻率通常在20 Hz到1000 Hz以上

功率輸出從納瓦到毫瓦不等

工作加速度水平從0.1g到數(shù)g不等

在特殊設(shè)計中帶寬可從幾Hz擴(kuò)展到50 Hz以上

- k; a* P; W1 J2 i+ a* q, _P-VEH的應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大，包括：

工業(yè)監(jiān)測用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

生物醫(yī)療器件如起搏器

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

可穿戴電子設(shè)備

6 H- S' P$ x1 Z- b0 z7 H$ T6 C  p3 Z未來發(fā)展
未來發(fā)展挑戰(zhàn)包括：
# Y! C6 ~) k- s" O

在保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時降低諧振頻率

優(yōu)化電極設(shè)計以最大化能量捕獲

研究替代地震質(zhì)量形狀以提高性能

開發(fā)多梁結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)穩(wěn)定性

提高低頻操作能力
0 f' I) g$ I0 C& T- J
該領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展，新設(shè)計和材料不斷涌現(xiàn)以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。研究人員特別關(guān)注在低頻下實現(xiàn)穩(wěn)定運行，因為大多數(shù)環(huán)境振動源在500 Hz以下運行。正在探索增強(qiáng)制造技術(shù)和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時保持器件可靠性和性能。
! R& s) F  j5 a- ]2 P8 I
最新趨勢包括開發(fā)結(jié)合多種能量采集機(jī)制的混合系統(tǒng)、通過計算建模優(yōu)化和集成智能材料以提高效率。這些進(jìn)展正使P-VEH在自供電電子系統(tǒng)中的廣泛實際應(yīng)用成為現(xiàn)實。

參考文獻(xiàn)
+ @# e- E3 e. o) p[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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