MEMS壓電能量收集器的設計和分析

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引言
6 G% t3 e0 m* G) V; E+ ?+ r% F7 {壓電振動能量收集器（P-VEH）通過將環(huán)境振動轉換為電能來為無線傳感器網絡供電。本文探討三種主要結構設計及其比較分析，以及慣性質量形狀對收集器性能的影響[1]。

' Y. G5 Q+ j" ?+ o& B& Q: U單梁懸臂能量收集器
; L' R" t6 k: u* {) y! b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，產生曲率并生成電勢。

圖1顯示了(a)單梁懸臂的基本結構和(b)在施加力下的梁偏轉模式。
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# M4 T" {2 }5 a  x5 W9 i+ q這類收集器的共振頻率取決于彈簧常數(shù)和有效質量。在自由端添加慣性質量可顯著降低共振頻率，更適合收集低頻環(huán)境振動。

圖2展示了添加慣性質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。

* m, n; r+ M: m9 A  H9 i陣列式懸臂收集器
, W2 y: M$ [" W2 F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。
0 z0 c2 u6 W* F% q& Q! V7 ]
圖4展示了三個懸臂的發(fā)生器陣列，

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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導向梁結構
兩端固定且中心有慣性質量的導向梁結構比單梁設計具有更好的穩(wěn)定性和可靠性。這些結構能夠承受更高的應力，同時保持受控位移。

% D6 j. K3 `3 O; Q) g  l' v圖6呈現(xiàn)了導向雙梁結構產生的本征模式。

圖7顯示了導向梁結構的位移與弧長特性。

慣性質量形狀的影響
; C- R) ]; q0 ~, q* O' G6 ]慣性質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。

圖8展示了三種慣性質量配置：(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。


圖9顯示了(a)不同r值的位移與弧長關系和(b)位移曲線的詳細視圖。
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0 a2 F& e% Z# A. Z$ m圖10呈現(xiàn)了(a)馮米塞斯應力分布和(b)不同慣性質量形狀的詳細應力分析。

分析表明，三角形慣性質量比矩形產生更高的電勢，質心位置在能量收集效率中發(fā)揮關鍵作用。三角形形狀產生2.064V，而矩形形狀產生2.060V，顯示出能量收集能力的明顯提升。

" y) H& J; Q0 q) p( E! X' f' H, R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。
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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。

& C9 }, w1 S' r0 T  ?: a參考文獻
" S% I" J1 `# N$ _[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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