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
, h2 X8 s% L' A) I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]。

& x& _# j, `2 d' ]$ G* u  r- }低頻振動(dòng)源的理解
1 k% R8 Q" A4 {* n, [! S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。

, i" p# Q8 X) c! L+ ], e9 M# `壓電層參數(shù)的影響
5 z; L9 o+ z, z- NP-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)。
+ O$ p9 @- k2 s" H2 t1 c, K
圖1顯示壓電層長(zhǎng)度為50 μm時(shí)的位移分析結(jié)果


圖2展示壓電層長(zhǎng)度為75 μm時(shí)的位移分布
9 m8 L! O* T8 t9 W$ G1 q5 W
$ [, q) \! d  X% e% o
/ W6 [3 K! B/ ?) J# z圖3呈現(xiàn)壓電層長(zhǎng)度為100 μm時(shí)的位移情況
$ ^: z* {. q' C* A3 n7 l6 p
# a& `( ?8 B1 ~$ J5 g9 n
圖4描述壓電層長(zhǎng)度為125 μm時(shí)的位移分析
6 _0 e& }# F5 u: r! |
  Y2 _9 K/ W+ O& n3 D
圖5表示壓電層長(zhǎng)度為150 μm時(shí)的位移結(jié)果
  ]- Q! M& [. L: ]2 @: O4 ^
' z( L( A1 w# x6 h, {
圖6顯示壓電層長(zhǎng)度為175 μm時(shí)的位移特征

: l$ t# q; I  l$ A7 Y9 r0 ]+ k
圖7展示壓電層長(zhǎng)度為200 μm時(shí)的位移分布情況
, I# m2 J. y( O  v; E$ N
; o% }# s+ Z4 G% c0 ]  o. W. m
( }( c, X6 n2 ^- a$ J6 V: t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
4 ]  ~& w- u+ D

" @$ `1 P( b9 p, o  E: V2 G6 C0 S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

. D1 T, E7 c" _1 B, v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)
; \) L7 j* ?6 W

& g. Y+ M! K- E/ {, ?9 d! f圖11描述壓電層長(zhǎng)度為125 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分布
2 e6 I0 O( C7 M3 f2 T
) e& F( X6 u. N  o
圖12表示壓電層長(zhǎng)度為150 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力情況
8 M" [8 m* q7 }% j+ l! D" p% [

圖13顯示壓電層長(zhǎng)度為175 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力特征
; \& g: o9 v2 z9 `, C
, d0 m' F' U6 |& G5 j
  C" V" \& D- S2 L8 Q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
  P2 _  t5 |8 {9 g, p6 F
# }) q1 H+ u: y5 Z. ]; H
) u. e% m- P7 X1 |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 o3 m' G- G* H; L- S6 i3 m
, n, ^1 g: A8 v9 {5 c. K7 P1 k' \
圖16展示壓電層長(zhǎng)度為75 μm時(shí)的電勢(shì)分布分析


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)
' u) f9 K6 g3 R$ b2 P
8 i# @0 i: J8 U* H2 R6 t
圖18描述壓電層長(zhǎng)度為125 μm時(shí)的電勢(shì)分布特征

4 x6 N5 m7 J( v7 H  ~
圖19表示壓電層長(zhǎng)度為150 μm時(shí)的電勢(shì)分布情況
8 x1 o; G5 `* q& z" _' m

圖20顯示壓電層長(zhǎng)度為175 μm時(shí)的電勢(shì)分布結(jié)果
/ |0 _# N+ V0 |3 F: U5 f

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)

分析揭示了以下重要關(guān)系：
" S9 ~, s: \4 D& u8 F. `* G% P1. 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
5 g; q6 }/ k* b- c6 G7 c
7 s  U  `7 ?! }: }2. 應(yīng)力分布：
* @9 Z3 |  y4 U8 m

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
' z& P: s4 q% j. m
: a& }/ j$ F) ?/ c  H& T2 E3. 電勢(shì)產(chǎn)生：
! d) E1 g' S0 o5 b% N0 a

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
% u! {' v; e- J* ]# E
* n- a& A! J+ @& T5 f7 d懸臂梁參數(shù)的影響
. A- U' Q* a4 \. Y* y/ K# O, }懸臂梁的尺寸對(duì)器件性能有顯著影響。

7 E7 o, M+ E2 K6 }8 |6 V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
+ N% s, Y. Q/ f# a
+ @* f& Z/ T: @2 D4 D
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)
" g& ~) i# i2 b0 F. G6 i
' z- p9 i1 d4 C, L1 y$ Y; {
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

2 A8 I' V) s: H( O
圖25描述懸臂梁長(zhǎng)度達(dá)到400 μm時(shí)的位移分布情況

  n# b$ u* A3 E& d4 }7 w7 S9 H
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)
8 G, E/ x" s/ ?- G, B" y
2 Y6 L3 u; o* g" Q/ U& D; g
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
" m! x3 S9 S$ q$ V  ]& ]0 j: Y4 N
; z4 |$ D0 S; S3 m2 _3 |9 T
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

7 y' Z  k+ u1 g; [! O; i$ S9 S
7 t( n6 d' t' t* u. E# K, X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


( U8 z: H$ N* I$ n2 L+ l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
) u0 d8 L  l& F2 W+ ~- }

5 a: m) U! t& R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


% h8 l7 U) I* E4 v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
3 E9 r/ J- O8 o* I( C( {

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

) ]! l4 C; t* Q* V+ Q
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


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

0 H+ S! B0 h, J2 C5 w
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

2 i8 s( V5 J" E) O) |關(guān)于梁參數(shù)的主要發(fā)現(xiàn)包括：
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
: U1 c2 i. k2 y) I( o
4 v  e( K- v, z! k2. 厚度影響：
7 x# k& i6 ^9 d  x0 y/ F3 C

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
( `5 V" Y7 e  r3 u
P-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。
+ [+ C4 W" [- u- k
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。

8 R- T/ ?% o8 i! b: V, G. p' [參考文獻(xiàn)
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, H' @5 [2 {, [- v3 a$ `4 o! w' E  y
END

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