基于MEMS的低頻壓電能量收集器件設(shè)計(jì)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
6 v: f$ C# s2 `" }能量收集技術(shù)作為小型電子器件的可持續(xù)能源供應(yīng)方案?jìng)涫荜P(guān)注�；�于MEMS的壓電振動(dòng)能量收集器件(P-VEH)能將環(huán)境中的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為可用的電能是有效的解決方案，本文探討了針對(duì)低頻應(yīng)用的懸臂梁型P-VEH器件的設(shè)計(jì)考慮因素和分析方法[1]。
- {" \/ F& m' t& k4 l, p1 L  G$ V
4 b" D) D3 u" u7 N( T% `- b低頻振動(dòng)源的理解
實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)源通常在低頻范圍內(nèi)運(yùn)行，非常適合能量收集應(yīng)用。常見的振動(dòng)源包括汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)的電機(jī)振動(dòng)(30-300 Hz)、人體振動(dòng)(~400 Hz)和切割機(jī)振動(dòng)(500-2000 Hz)。由于懸臂梁型P-VEH設(shè)計(jì)具有較低的諧振頻率和對(duì)環(huán)境振動(dòng)的高靈敏度，特別適合這些應(yīng)用場(chǎng)景。

壓電層參數(shù)的影響
- c6 r. y/ |1 S) |: `) P# ?P-VEH器件的性能受壓電層尺寸的顯著影響。下面分析壓電層的長(zhǎng)度和厚度如何影響關(guān)鍵性能指標(biāo)。

" w! C. B4 q% L. o1 \8 p$ M圖1顯示壓電層長(zhǎng)度為50 μm時(shí)的位移分析結(jié)果

) K1 d( j- ?8 ^
圖2展示壓電層長(zhǎng)度為75 μm時(shí)的位移分布

2 W* U$ \: E1 u1 @4 b: O' B( s
圖3呈現(xiàn)壓電層長(zhǎng)度為100 μm時(shí)的位移情況

( N- B; j7 K1 C
圖4描述壓電層長(zhǎng)度為125 μm時(shí)的位移分析
1 W8 A9 T2 D  Z0 d  N
7 Z. c; f( y6 R" j+ X  `* d
圖5表示壓電層長(zhǎng)度為150 μm時(shí)的位移結(jié)果
1 F6 B  y7 ?# I1 p) j& d/ e

圖6顯示壓電層長(zhǎng)度為175 μm時(shí)的位移特征
+ ?  P& D' k5 \, |' n6 J
9 p% ?, P$ T; ^* g- w+ Q3 x  V
: w: o7 u% X' y3 V9 U圖7展示壓電層長(zhǎng)度為200 μm時(shí)的位移分布情況


! E+ \% W# _% T4 h  `2 g圖8顯示壓電層長(zhǎng)度為50 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分布，固定端顯示最大應(yīng)力集中

) U+ Q) }: }/ Z# c
圖9展示壓電層長(zhǎng)度為75 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分析結(jié)果
: w; k. B- ]3 \. X) U/ n+ `; R
, j% M4 j+ S: V% c2 ^- k* v& l圖10呈現(xiàn)壓電層長(zhǎng)度為100 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力狀態(tài)

! b, E6 S& z& W5 R& {1 O
* x/ Q3 L/ Y% J& C& C0 h# t圖11描述壓電層長(zhǎng)度為125 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分布
3 o2 m8 i7 O4 o" c" G
% K: y: ~; ]$ w! d
圖12表示壓電層長(zhǎng)度為150 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力情況

( Y# m3 s. n% Z1 u4 w4 u. Z; z' W4 o
5 b- ^" R( l% }圖13顯示壓電層長(zhǎng)度為175 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力特征

( p% C" k6 R4 E- w$ r2 c
& [; i  }4 s4 b+ b* ^* z# ]圖14展示壓電層長(zhǎng)度為200 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分布，顯示應(yīng)力隨長(zhǎng)度增加而增大


圖15顯示壓電層長(zhǎng)度為50 μm時(shí)的電勢(shì)分布，在固定端處出現(xiàn)最大電勢(shì)值
2 I, x2 h7 {4 Q

圖16展示壓電層長(zhǎng)度為75 μm時(shí)的電勢(shì)分布分析
* e5 q2 ~1 H# ?

圖17呈現(xiàn)壓電層長(zhǎng)度為100 μm時(shí)的電勢(shì)分布狀態(tài)

8 O+ [# a; f3 o" g* V: h, c
圖18描述壓電層長(zhǎng)度為125 μm時(shí)的電勢(shì)分布特征
) ~6 M$ m9 O" O$ L
; e/ h% @  q0 Q3 y' f- ?4 N
/ c2 A9 ?1 a- z+ _; q$ C6 K. J圖19表示壓電層長(zhǎng)度為150 μm時(shí)的電勢(shì)分布情況


3 t. y# N& m/ a/ U# Y$ ]( O圖20顯示壓電層長(zhǎng)度為175 μm時(shí)的電勢(shì)分布結(jié)果


4 d( y. O4 y" g6 t' u( G& q+ @1 Y. T% I圖21展示壓電層長(zhǎng)度為200 μm時(shí)的電勢(shì)分布，清晰表明電勢(shì)從固定端向自由端逐漸降低的趨勢(shì)

. e- Q. G& ~9 F; a分析揭示了以下重要關(guān)系：
1. 位移特性：

壓電層長(zhǎng)度從50 μm增加到200 μm導(dǎo)致位移增大

較厚的壓電層(5 μm和10 μm)由于剛度增加而減小位移

最大位移出現(xiàn)在懸臂梁自由端

2. 應(yīng)力分布：
2 D% O7 R% [8 }6 E! L  E8 j7 V

最大應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂梁固定端

較長(zhǎng)的壓電層產(chǎn)生更高的應(yīng)力值

增加層厚度會(huì)由于位移減小而降低應(yīng)力
5 b/ M/ X. o( i6 P( v+ z: I
3. 電勢(shì)產(chǎn)生：
. {0 M  h* a1 [1 t$ H$ K. R) W

電勢(shì)在應(yīng)力集中的固定端最高

較長(zhǎng)的壓電層產(chǎn)生更高的電勢(shì)

較厚的層通常產(chǎn)生更高的電勢(shì)，但超過5 μm后增益減少

懸臂梁參數(shù)的影響
懸臂梁的尺寸對(duì)器件性能有顯著影響。
2 F9 r% \! }, m6 s% m& c8 g
圖22顯示懸臂梁長(zhǎng)度為100 μm、梁厚度5 μm時(shí)的位移分布，呈現(xiàn)自由端的最大位移值
0 F* N) d* p+ U/ u$ M! e) |

圖23展示懸臂梁長(zhǎng)度增加到200 μm時(shí)的位移分布狀態(tài)


圖24呈現(xiàn)懸臂梁長(zhǎng)度為300 μm時(shí)的位移分布特征，位移值進(jìn)一步增大
% y( R) C: Q4 r& K' r4 M
+ i1 c, Y' a# O; k. x5 G
4 c' [" K( ^6 A5 A圖25描述懸臂梁長(zhǎng)度達(dá)到400 μm時(shí)的位移分布情況
7 ^" v4 f! X" b' I1 ^

8 ~2 ]6 N' f! b& f圖26展示懸臂梁長(zhǎng)度為500 μm時(shí)的位移分析結(jié)果，顯示出最大的位移值，驗(yàn)證了位移隨梁長(zhǎng)度增加而增大的趨勢(shì)
4 n2 L' x3 R4 Q5 X0 c) n' w
. d4 \" e$ J9 x& q; k
圖27顯示懸臂梁長(zhǎng)度為100 μm、梁厚度5 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分布，在固定端出現(xiàn)應(yīng)力集中
/ w; {  g1 ^( z  m3 f

7 n1 p0 a' \! X, @+ c圖28展示懸臂梁長(zhǎng)度為200 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分布，應(yīng)力值相比100 μm有所增加
9 c1 A9 o+ i$ `) J4 e3 D
- g! {2 s% g. T4 R
圖29呈現(xiàn)懸臂梁長(zhǎng)度為300 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力狀態(tài)，顯示更高的應(yīng)力集中


圖30描述懸臂梁長(zhǎng)度為400 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分布，固定端應(yīng)力繼續(xù)增大
$ J% {- l/ T) {9 H% f

圖31展示懸臂梁長(zhǎng)度為500 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分析結(jié)果，表明當(dāng)梁長(zhǎng)度達(dá)到最大值時(shí)，在固定端產(chǎn)生最大的應(yīng)力集中
+ Z( D! g, F' v

7 c" O" c0 f8 }+ w圖32顯示懸臂梁長(zhǎng)度為100 μm、梁厚度5 μm時(shí)的電勢(shì)分布，在固定端產(chǎn)生較小的電勢(shì)值
  m6 o3 o1 p0 z/ J& B5 a" ?
/ \+ Z" M6 A0 R2 J! M
9 s* \4 M( X- Q7 n( ~2 I圖33展示懸臂梁長(zhǎng)度為200 μm時(shí)的電勢(shì)分布，電勢(shì)值有所增加

& }8 q/ K# _/ \" a+ E
圖34呈現(xiàn)懸臂梁長(zhǎng)度為300 μm時(shí)的電勢(shì)分布狀態(tài)，顯示更高的電勢(shì)產(chǎn)生


; c- B9 T+ x, m7 C9 V' `( s圖35描述懸臂梁長(zhǎng)度為400 μm時(shí)的電勢(shì)分布，電勢(shì)值進(jìn)一步提高
* l8 \5 N4 c, Y$ L* x! S

圖36展示懸臂梁長(zhǎng)度為500 μm時(shí)的電勢(shì)分析結(jié)果，表明在最大梁長(zhǎng)度下獲得最高的電勢(shì)輸出，驗(yàn)證了電勢(shì)隨梁長(zhǎng)度增加而增大的特性

# ^' z" @& z9 V$ `0 |關(guān)于梁參數(shù)的主要發(fā)現(xiàn)包括：
/ p* d+ r7 Z6 U) H" [1. 長(zhǎng)度效應(yīng)：

梁長(zhǎng)度從100 μm增加到500 μm顯著提高位移

較長(zhǎng)的梁產(chǎn)生更高的應(yīng)力值和電勢(shì)

器件尺寸隨梁長(zhǎng)度成比例增大

3 o, {) }  q9 H  ^2. 厚度影響：
! ~! B8 @8 v6 S! b. t

較厚的梁由于剛度增加而減小位移

應(yīng)力水平隨梁厚度增加而降低

電勢(shì)產(chǎn)生與梁厚度成反比

更高的厚度增加諧振頻率

/ E8 m( n7 ~/ O0 i. {$ P; T% xP-VEH器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要仔細(xì)考慮這些參數(shù)以獲得期望的性能特征。對(duì)于低頻應(yīng)用，具有適中厚度的較長(zhǎng)梁由于較低的諧振頻率和對(duì)環(huán)境振動(dòng)的較高靈敏度而表現(xiàn)更好。

全面的分析為設(shè)計(jì)針對(duì)特定應(yīng)用需求的P-VEH器件提供了有價(jià)值的見解，幾何參數(shù)與性能指標(biāo)之間的相互作用使工程師能夠在保持結(jié)構(gòu)完整性和運(yùn)行穩(wěn)定性的同時(shí)，優(yōu)化器件設(shè)計(jì)以獲得最大的能量收集效率。
# y6 @& B( a  a. V  }
: J+ h. z- I  e, B參考文獻(xiàn)
" y( u/ [) G! C9 h: c( f/ N[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.

+ N! A9 \+ p; \7 y; q8 d% H* lEND

( c. M' Z; o3 [) l/ s# G) q  A
軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
  v( B& U/ R. m) k1 M* `" c點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

* N! F# a- A* K3 T6 w& q歡迎轉(zhuǎn)載

7 o$ ]! e( [1 L$ \. X2 H轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
4 x  a5 R, A1 w6 r1 a


6 P+ m' u" P# f. U7 c5 l5 Z

. @8 O! S* V. a* M8 J關(guān)注我們
# a3 m" Y( N& j% V
$ h6 q+ p0 ]4 L

4 Q7 X/ J  A# O! h + S8 z, h2 t+ N6 Q! G  B

9 n3 b, r% F: E0 z1 h8 s

( H/ @; T; M% F/ {0 e2 y# R

                     



關(guān)于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

& I4 S& d9 w& X# e) `+ c# b& X8 Nhttp://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）