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
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]。
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1 I  m# W# ^6 u1 q; u6 U- L% f低頻振動(dòng)源的理解
8 S* }7 ~" Q7 t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(jiàn)的振動(dòng)源包括汽車(chē)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。
+ O" L  s# }! v
2 s. Z5 u/ o( Z6 h$ D/ N3 c壓電層參數(shù)的影響
+ M1 X% g( h# _6 u2 a* x$ QP-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)。
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4 R7 g* T- K: Y圖1顯示壓電層長(zhǎng)度為50 μm時(shí)的位移分析結(jié)果
" v0 z) ]  m! Q# b( K) ^

圖2展示壓電層長(zhǎng)度為75 μm時(shí)的位移分布
) t$ r' S6 A# V0 q8 U  e8 x0 `) f# J" d
3 D$ p, w& ]% m2 s7 V* P
5 u0 Z$ d' @3 e$ v圖3呈現(xiàn)壓電層長(zhǎng)度為100 μm時(shí)的位移情況
1 K- S" t! P) ?/ U2 R/ q$ U& U
! H& X0 Y1 \3 p  |, {) p1 Z: o0 m0 k# P
圖4描述壓電層長(zhǎng)度為125 μm時(shí)的位移分析


9 l, Z) T; r0 w2 O9 l( q圖5表示壓電層長(zhǎng)度為150 μm時(shí)的位移結(jié)果
' q. M  W" c7 I" d- z; E

# c% ~/ [5 e8 c& }7 N圖6顯示壓電層長(zhǎng)度為175 μm時(shí)的位移特征
" B) D8 n+ h* h  U' _

/ ^9 F* @% V, c1 x6 X圖7展示壓電層長(zhǎng)度為200 μm時(shí)的位移分布情況

  |' K: A6 ]$ D$ y7 j
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


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
6 j* ?$ b: }' e6 @
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)
& [6 d  Y8 Y) y

圖11描述壓電層長(zhǎng)度為125 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分布

& q4 A: y, Z4 K7 L2 ~
# I- k, ~; S% b% ?4 U  p圖12表示壓電層長(zhǎng)度為150 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力情況


圖13顯示壓電層長(zhǎng)度為175 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力特征
4 U/ `0 V% v9 ~" K1 R1 Y
4 @* ]; ]6 k4 Y
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
* C  B" q6 G/ Q" F) E; c" N
5 u) F" e4 o  }' U1 i/ y, [  a3 P
. K/ C: l, }6 H% G+ N+ I& o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
" ~6 Q* e' Q" Q9 d/ F8 Q

( u. [/ S8 H" Y+ o& a& J  f- e圖16展示壓電層長(zhǎng)度為75 μm時(shí)的電勢(shì)分布分析
1 G: ]7 i& |+ k7 o/ k! @; _

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)

; n! R5 N+ X; G$ b
+ [, F- }/ H: [' u5 e& p圖18描述壓電層長(zhǎng)度為125 μm時(shí)的電勢(shì)分布特征
1 x8 J/ S' |. U! _$ L1 D

' k: Z7 x) x$ o8 {# S圖19表示壓電層長(zhǎng)度為150 μm時(shí)的電勢(shì)分布情況
3 M* c: O( `7 b' H' f

; c8 U& S, l9 m# m- p* u圖20顯示壓電層長(zhǎng)度為175 μm時(shí)的電勢(shì)分布結(jié)果
. R* `+ L$ C0 _: A7 a9 o& i! X
' @+ G1 v, X# K' ]
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)

- ]; ?" o  t2 v, T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
4 m( T* O" p  [/ P" E6 p' E" R
2. 應(yīng)力分布：

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
( h+ l6 ~* e6 s- \8 X$ U8 h
  C" v* i& y0 \( d$ t+ d3. 電勢(shì)產(chǎn)生：

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(guò)5 μm后增益減少

0 @% C$ M* ~. t- v懸臂梁參數(shù)的影響
7 ^( q  }, h* d" t5 ~懸臂梁的尺寸對(duì)器件性能有顯著影響。
% x# d2 B4 {0 q* @4 ]
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
8 O/ N1 G4 i8 w& b+ Z* a

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)

  h, V0 v1 a8 U% E( B. g( T6 `& ~
, t7 f7 z4 Z5 S6 u; N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

  R; E4 R' }& g% d7 g
圖25描述懸臂梁長(zhǎng)度達(dá)到400 μm時(shí)的位移分布情況
3 h2 O6 l" M4 M
% H# \, W$ K* s9 S" ^6 K
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)
$ U( \3 }/ j5 }2 _4 y: u

, c& C3 x9 C# t+ ?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

+ _8 Q6 C: g3 F- B7 C- X  E" w
0 ^8 m, r# W- o3 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
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" h% E& A# g6 U9 h. W
' y! C; @7 Y! K' g" m, p' v4 s2 b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

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" T7 v: _6 d; X; W3 O5 }$ v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

: v! u& s: l8 z! `
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


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
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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


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

$ s. ?+ u. f3 y+ e7 t1 w
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

* y; }) T8 c9 y
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
% W0 }! g" k/ u& Z6 S- h
; a" y' o" g( x( s1 }  b  P9 K關(guān)于梁參數(shù)的主要發(fā)現(xiàn)包括：
1. 長(zhǎng)度效應(yīng)：
) {! H5 n# P2 l0 U) b

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
: i, {6 V/ u/ \# i2 \1 T
( K" j! u6 a6 W7 X) G; }2. 厚度影響：
3 x* ?5 x& {/ L- ?

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
, r1 l! x4 |# [4 X3 z
8 v1 ~1 j1 D0 b* a! C% _7 E- uP-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。
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3 ~: V( F1 ~& t! O) J$ }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(jiàn)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。
6 }/ p  l* p( y# R- P% B5 d
. k3 T1 b, U# A+ y, N& L參考文獻(xiàn)
5 q2 O8 W" T: t4 Z1 R[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.

END
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