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)方案備受關(guān)注。基于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]。

低頻振動(dòng)源的理解
5 g; W( W- g; P6 H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環(huán)境振動(dòng)的高靈敏度，特別適合這些應(yīng)用場景。
; l+ B  x1 {' y) x
壓電層參數(shù)的影響
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度和厚度如何影響關(guān)鍵性能指標(biāo)。

圖1顯示壓電層長度為50 μm時(shí)的位移分析結(jié)果
# Y/ T" L3 S' K. _2 v& E* h

圖2展示壓電層長度為75 μm時(shí)的位移分布

/ |9 a1 s8 ~$ E) X4 G) j  j+ q/ @
% g" Q# K$ r+ O6 P圖3呈現(xiàn)壓電層長度為100 μm時(shí)的位移情況
$ ^: r# G0 e. [% y

圖4描述壓電層長度為125 μm時(shí)的位移分析

/ X  |0 U0 h7 M+ Y7 F+ f, s
圖5表示壓電層長度為150 μm時(shí)的位移結(jié)果


# |2 ~. F3 j% g5 \$ M! q4 x7 A# F- J圖6顯示壓電層長度為175 μm時(shí)的位移特征

! d- o6 o2 S! l5 L! {
圖7展示壓電層長度為200 μm時(shí)的位移分布情況


; i* k- K- f5 T, x圖8顯示壓電層長度為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展示壓電層長度為75 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分析結(jié)果

圖10呈現(xiàn)壓電層長度為100 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力狀態(tài)


  b, z$ K" o$ q' I# @  M圖11描述壓電層長度為125 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分布

5 l+ t5 R# J4 U/ j7 D/ O
圖12表示壓電層長度為150 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力情況


圖13顯示壓電層長度為175 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力特征


2 M# y5 d* T2 e2 V& q圖14展示壓電層長度為200 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分布，顯示應(yīng)力隨長度增加而增大


0 q6 Q- h  ^! E3 h, n2 d圖15顯示壓電層長度為50 μm時(shí)的電勢分布，在固定端處出現(xiàn)最大電勢值


圖16展示壓電層長度為75 μm時(shí)的電勢分布分析


8 ?* A$ _# B  [# V圖17呈現(xiàn)壓電層長度為100 μm時(shí)的電勢分布狀態(tài)
/ d; s" q0 A& t! [

圖18描述壓電層長度為125 μm時(shí)的電勢分布特征

$ q1 b0 O, u$ B8 T4 E
圖19表示壓電層長度為150 μm時(shí)的電勢分布情況
9 I4 r* e8 ?& b
, K, t( T& g: Q  k( Y" u: h
# ?5 }. |( w: [圖20顯示壓電層長度為175 μm時(shí)的電勢分布結(jié)果

' i, {; O- Z: r4 g- Z5 R2 T
圖21展示壓電層長度為200 μm時(shí)的電勢分布，清晰表明電勢從固定端向自由端逐漸降低的趨勢

: s7 i$ a+ N1 @8 n分析揭示了以下重要關(guān)系：
6 P+ Q5 I" u1 W3 J( ~+ o  {1. 位移特性：

壓電層長度從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：

最大應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂梁固定端

較長的壓電層產(chǎn)生更高的應(yīng)力值

增加層厚度會由于位移減小而降低應(yīng)力
7 ?- d% y' A/ w: i! w
3. 電勢產(chǎn)生：

電勢在應(yīng)力集中的固定端最高

較長的壓電層產(chǎn)生更高的電勢

較厚的層通常產(chǎn)生更高的電勢，但超過5 μm后增益減少
1 s- S* L" e7 V$ g/ M
懸臂梁參數(shù)的影響
懸臂梁的尺寸對器件性能有顯著影響。
( E2 O; J' s& ~& ]1 M# L* O
3 Q+ ^/ [7 @4 q* t圖22顯示懸臂梁長度為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


/ T. z4 i1 r4 y9 ~2 z. n; j; L# T圖23展示懸臂梁長度增加到200 μm時(shí)的位移分布狀態(tài)
5 _$ R5 t$ D2 {8 M/ h

2 \0 e" a( l3 W3 D圖24呈現(xiàn)懸臂梁長度為300 μm時(shí)的位移分布特征，位移值進(jìn)一步增大


! Q/ z1 ^5 g; C4 X  X% w圖25描述懸臂梁長度達(dá)到400 μm時(shí)的位移分布情況
8 {& e6 h8 ?  _9 r$ H- h
  |" \, P* m2 W# |4 T; n
/ N" e% }" j2 F4 C& Z. G圖26展示懸臂梁長度為500 μm時(shí)的位移分析結(jié)果，顯示出最大的位移值，驗(yàn)證了位移隨梁長度增加而增大的趨勢


圖27顯示懸臂梁長度為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


圖28展示懸臂梁長度為200 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分布，應(yīng)力值相比100 μm有所增加


圖29呈現(xiàn)懸臂梁長度為300 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力狀態(tài)，顯示更高的應(yīng)力集中
* z8 N9 A: @6 o# t+ ^6 E3 O) b

圖30描述懸臂梁長度為400 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分布，固定端應(yīng)力繼續(xù)增大
/ _- N* {: {" M3 y" c
! E1 o$ [6 {, _0 p
圖31展示懸臂梁長度為500 μm時(shí)的von Mises應(yīng)力分析結(jié)果，表明當(dāng)梁長度達(dá)到最大值時(shí)，在固定端產(chǎn)生最大的應(yīng)力集中
8 x- d' K2 h- c
% |% M2 [; g6 N0 ~# i1 u: [4 M; B$ k
8 }; j! X) v( C: u9 H' ^7 N  G圖32顯示懸臂梁長度為100 μm、梁厚度5 μm時(shí)的電勢分布，在固定端產(chǎn)生較小的電勢值


) O8 {2 U4 W' f# Q( l4 x圖33展示懸臂梁長度為200 μm時(shí)的電勢分布，電勢值有所增加


圖34呈現(xiàn)懸臂梁長度為300 μm時(shí)的電勢分布狀態(tài)，顯示更高的電勢產(chǎn)生

* [6 f  g3 u  v! m
# I8 ^/ v7 u! n: N9 d3 P' Q$ @7 ]0 `圖35描述懸臂梁長度為400 μm時(shí)的電勢分布，電勢值進(jìn)一步提高


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

3 j5 F' q# y$ s2 p* W- W; u5 o# S關(guān)于梁參數(shù)的主要發(fā)現(xiàn)包括：
1 m" }. y6 U9 f# W& n1. 長度效應(yīng)：
2 }$ j4 M6 I4 J. r) W, X: n

梁長度從100 μm增加到500 μm顯著提高位移

較長的梁產(chǎn)生更高的應(yīng)力值和電勢

器件尺寸隨梁長度成比例增大
" W, i+ L  m5 O- t: j" w0 m5 N
2. 厚度影響：
" ]/ X8 f  A" U5 D6 c' G

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

電勢產(chǎn)生與梁厚度成反比

更高的厚度增加諧振頻率
/ m5 Q& S' x% b! d: Z
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。對于低頻應(yīng)用，具有適中厚度的較長梁由于較低的諧振頻率和對環(huán)境振動(dòng)的較高靈敏度而表現(xiàn)更好。
8 K9 E" p3 t! \2 a7 V  C
全面的分析為設(shè)計(jì)針對特定應(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。

參考文獻(xiàn)
[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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