MEMS压电能量收集器的设计和分析

逍遥设计自动化

引言
! {! x0 z( S# x压电振动能量收集器（P-VEH）通过将环境振动转换为电能来为无线传感器网络供电。本文探讨三种主要结构设计及其比较分析，以及惯性质量形状对收集器性能的影响[1]。
( [+ E8 r1 C# b) h7 w0 `
单梁悬臂能量收集器
基本设计由一端固定另一端自由的悬臂梁组成，压电层夹在电极之间。当外部振动对自由端施加力时，梁会发生偏转，产生曲率并生成电势。
. B8 q* V4 B* T# a) Y+ d

aj1ljocmq2t64032397515.png

图1显示了(a)单梁悬臂的基本结构和(b)在施加力下的梁偏转模式。
5 A  q$ o4 W. W/ ~' i
这类收集器的共振频率取决于弹簧常数和有效质量。在自由端添加惯性质量可显著降低共振频率，更适合收集低频环境振动。

1hdqflj2pax64032397615.png

图2展示了添加惯性质量如何将共振频率从1593.1 Hz降低到764.05 Hz，包括(a)自由端悬臂共振和(b)带有惯性质量的悬臂共振。

npekbopkwfb64032397715.png

% z3 W/ f+ a# h* }, z

5jerfzong4s64032397815.png

图3说明了单梁悬臂的有限元模拟结果及其沿梁长度的位移特性，显示在自由端处达到最大位移。
* W( G  Q; m7 J$ ~
阵列式悬臂收集器
悬臂阵列设计包含多个不同长度的梁，以扩大工作频率范围。这种配置使收集器能够响应各种振动频率，提高了适应性。
5 Z) r6 Y3 b& d- i# c0 P

qtyfq350gdd64032397916.png

( o) P( m8 y2 n6 r图4展示了三个悬臂的发生器阵列，
. h/ B$ t% Y; s" i7 x9 S  C8 G

kdidkdda3fh64032398016.png

图5显示了悬臂阵列系统的位移特性，表明每个梁具有不同的共振频率。
" j6 m6 l6 g5 X" s; ^( g
+ Y( c8 G' ?: a8 E" x8 [* o导向梁结构
两端固定且中心有惯性质量的导向梁结构比单梁设计具有更好的稳定性和可靠性。这些结构能够承受更高的应力，同时保持受控位移。

fvjpjzagybq64032398116.png

& K  l, p$ i0 q: {图6呈现了导向双梁结构产生的本征模式。
5 w2 g& B" S, o5 M( `; p

td4mgilvipf64032398216.png

图7显示了导向梁结构的位移与弧长特性。

惯性质量形状的影响
7 A/ V6 G! Y' K$ h6 y) V& y惯性质量的形状对收集器的性能有显著影响。研究了三种主要形状：矩形、金字塔形和三角形。

1m1xt5kchox64032398316.png

图8展示了三种惯性质量配置：(a)比率r=0时的三角形，(b)r=0.4时的金字塔形，(c)r=1时的矩形。
- w( L& K( K9 o2 T
. g# J1 Q, A6 j' t

qs0d0g0a34564032398416.png

图9显示了(a)不同r值的位移与弧长关系和(b)位移曲线的详细视图。
9 H7 R2 Y7 N/ X) u# [+ U

1s2imxlheh364032398517.png

图10呈现了(a)冯米塞斯应力分布和(b)不同惯性质量形状的详细应力分析。

分析表明，三角形惯性质量比矩形产生更高的电势，质心位置在能量收集效率中发挥关键作用。三角形形状产生2.064V，而矩形形状产生2.060V，显示出能量收集能力的明显提升。

不同的压电材料会影响导向梁收集器的性能。氧化锌（ZnO）在双梁和四梁配置中都表现出比PZT-5H和氮化铝（AlN）更优越的电势生成能力，这使其成为器件制造的最佳选择。
. V5 D/ g2 n" p& p/ r1 S+ R
对各种收集器设计及其特性的全面理解，使工程师能够为无线传感器网络和其他需要可持续电源的应用开发更高效的能量收集解决方案。

7 _+ a" C9 s8 m# B8 @" P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," Energy Systems in Electrical Engineering, Singapore: Springer, 2021.
0 Q# {# L2 o2 W1 U4 p
$ t/ j- Y& W- J  REND


软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
2 o! C3 _2 H; Z: r8 {# w+ T点击左下角"阅读原文"马上申请
: _" a3 |$ P9 y! J  ^$ t9 m
欢迎转载

转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！


* [9 V1 Q% @$ y
& C/ u0 V8 d2 K, Y. |* s

1stoacgwe3464032398617.gif

. L9 \; }4 ^# l8 C
( }% c$ Z6 T) i  t) a, g关注我们

8 |2 v/ o( j" l- A1 d+ V

; F' e" A7 I: ^1 z" d. G" D% [ ttkw1uwqgam64032398717.png $ I2 L- W. ]1 i$ N% Z3 P* d& W

$ `/ w8 H% {9 N( K& Y0 | b22oc313ncp64032398817.png 9 ]$ _" Y5 ]3 |+ g

e4ti2ya2jsa64032398917.png , y9 n( f2 G' ?: g4 B9 |( G* K

                     
9 \* `( E4 T) y# ]( F- g
' F/ p; N8 q; ]! H
8 U8 |. ~. E, z2 q; N
关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
( w* m( f2 o& g1 X
5 ], X) ?0 d: s7 a4 b5 o& ~4 |http://www.latitudeda.com/
% o  F, @! ~4 d. Q2 u) b) F（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）