MEMS壓電能量收集器的設計和分析

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引言
5 F0 g) O3 s. F6 ^* [; O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)絡供電。本文探討三種主要結(jié)構(gòu)設計及其比較分析，以及慣性質(zhì)量形狀對收集器性能的影響[1]。

# F1 \6 c( n$ \! E. ]- G: ?- v/ w4 N* O單梁懸臂能量收集器
基本設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。
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7 x5 j6 G# m/ D- p# f4 D& j/ ]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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1 v, M( S+ C# g1 \1 m6 E5 T. s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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9 f4 p) O* S1 |% ?) x2 C# E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
% ~6 q  e7 l! s- n, P懸臂陣列設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。

6 X1 Y8 Z. X% L! B8 f' n7 p圖4展示了三個懸臂的發(fā)生器陣列，

: r* r+ `9 i1 E( V9 i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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5 w. F& F, w: o$ ~5 e6 r' @% C' F導向梁結(jié)構(gòu)
/ L: X5 {( h2 M4 O( [3 J  }" }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。

: |9 y% e. p2 @: Z: M: B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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) y& Q- Z! W: T# h+ Q2 y, f2 w圖7顯示了導向梁結(jié)構(gòu)的位移與弧長特性。

慣性質(zhì)量形狀的影響
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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7 I; s5 ~/ h6 D8 R: U( ~+ e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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! ^7 b  _  _3 J! e! P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。


$ @" a. ~- d2 f' ?$ r, R9 H% w- x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。
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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。
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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。
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1 }' w3 \; z+ E- X' Z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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