MEMS导向梁式压电能量收集器的设计与分析

逍遥设计自动化

引言
压电振动能量收集器(P-VEH)能将环境机械振动转换为电能。本文探讨MEMS导向梁式P-VEH的设计和分析，重点研究双梁和四梁结构以及中心质量块的配置[1]。
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器件结构与工作原理
; M# b8 ~: t7 X  x导向梁式P-VEH由两端固定的梁和中心的金字塔形质量块构成。结构采用氧化锌(ZnO)作为压电材料，夹在金属电极之间。当环境振动导致梁产生位移时，产生的应力通过压电效应生成电势。

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图1：导向四梁P-VEH的设计结构，展示了梁的配置和中心质量块。

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" R/ H6 t0 k# r图2：截面视图显示了层叠结构，包括硅基底、氧化物绝缘层、金属电极和ZnO压电层。
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9 b( f, u- w$ V8 o器件采用硅基底，上面是热氧化物绝缘层，然后是金属电极(Au/Al)和ZnO压电层。钝化层保护ZnO免受环境退化。梁的典型尺寸为长2500μm，宽2000μm，中心质量块尺寸为3500μm × 3500μm。

3 J; i1 Y* h7 u* [4 k9 z( [性能分析与特性
关键性能参数包括共振频率、位移、应力分布和产生的电势。这些特性通过有限元方法(FEM)模拟进行分析。
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% x' u4 ~7 c3 w% j( T+ f图3：FEM模拟显示四梁结构在5μm梁厚度下的共振频率为335.96Hz。

共振频率主要取决于梁的尺寸和质量块。为实现最佳能量收集效果，此频率应与环境振动频率匹配。根据梁厚度的不同，器件展示出335.96Hz到1631.4Hz的共振频率范围。
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图4：沿梁长度的位移和von Mises应力分布，显示在固定端和导向端的最大值。

: i  T& y7 i; c9 P当受到外部加速度(1-5g)时，梁在靠近质量块的导向端表现出最大位移。应力分布在固定端和导向端都显示峰值，在梁中心处应力最小。这种应力模式通过压电效应产生电势。
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双梁与四梁配置的比较
0 ~/ `! G* `; Y# j! ]$ f$ I双梁和四梁结构的性能比较揭示了重要的设计考虑因素。

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图5：(a)导向双梁和(b)导向四梁P-VEH的设计结构，显示不同的梁配置。
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; X5 g0 ?& x/ X* A4 W( C图6：第一模态共振频率比较，显示双梁为1535.2Hz，四梁为2141.1Hz。

2 U6 ?8 u1 b1 c4 v) a( Q四梁配置具有以下优势：
& `, `; G8 U" D" J% v$ Q4 z由于应力分布在多个梁上，运行更稳定
较低的位移减少了与器件封装的碰撞风险
每个梁的应力较小，可靠性更高
6 x* i* p, D$ O; r当所有梁连接时，总电势输出更高
  ?" t0 r4 I. ?9 {
0 b7 t5 n1 p7 ^+ a0 M2 D四梁结构每个梁产生的电势约为双梁设计的一半，但四个梁的总电势超过双梁配置。
0 k, a2 k/ }. |: B2 H
分离电极优化
为有效收集拉伸和压缩应力产生的能量，分离电极设计非常必要。

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图7：沿梁长度的应力和位移变化，显示分离电极放置的最佳区域。
3 ~/ ], n8 C- x+ u
优化研究显示三个不同区域：

A区(0-675μm)：最大拉伸应力

B区(675-1825μm)：线性过渡区

C区(1825-2500μm)：最大压缩应力

分离电极T1和T2分别战略性地放置在A区和C区，以实现能量收集最大化。
这种优化的电极配置表现出：

与全长电极相比，具有较低的共振频率

改进的位移特性

运行过程中增强的电容变化

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图8：电极长度对位移和电容的影响，显示在675μm长度时的最佳性能。

优化的675μm长度分离电极设计显示：
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在1g加速度下最大位移为3.11422μm

最高电容变化达190.59026pF

与全长电极相比，位移提高19.26%

本文展示了导向梁式P-VEH器件，特别是具有优化分离电极的四梁配置，适合机械能量收集应用。所提供的设计考虑因素和分析为开发用于驱动小型电子系统的高效能量收集器件提供了有价值的见解。

参考文献
[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.
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