基于MEMS的低频压电能量收集器件设计

逍遥设计自动化

引言
2 S/ {/ y# m  R- j- \6 X0 K能量收集技术作为小型电子器件的可持续能源供应方案备受关注。基于MEMS的压电振动能量收集器件(P-VEH)能将环境中的机械振动转换为可用的电能是有效的解决方案，本文探讨了针对低频应用的悬臂梁型P-VEH器件的设计考虑因素和分析方法[1]。

0 `9 X2 o- d1 ?4 d: V低频振动源的理解
' a7 U# c5 `+ }1 b- z2 W1 m实际环境中的振动源通常在低频范围内运行，非常适合能量收集应用。常见的振动源包括汽车和发动机的电机振动(30-300 Hz)、人体振动(~400 Hz)和切割机振动(500-2000 Hz)。由于悬臂梁型P-VEH设计具有较低的谐振频率和对环境振动的高灵敏度，特别适合这些应用场景。
  i1 V/ n3 ?9 E2 B
压电层参数的影响
P-VEH器件的性能受压电层尺寸的显著影响。下面分析压电层的长度和厚度如何影响关键性能指标。

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. m* \) x! d. `! t* q! Y图1显示压电层长度为50 μm时的位移分析结果

7 R' P3 b- R1 x! j2 H

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图2展示压电层长度为75 μm时的位移分布
3 f) {9 \' A) A% k' n
0 e. I, I4 x! i

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7 Y% B! t- k% G& B" m3 i7 C; T  E' Z图3呈现压电层长度为100 μm时的位移情况
: w+ y7 k. H7 C) \2 h1 n
' M) J+ i) r" \/ \: J6 p7 `$ }( b

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图4描述压电层长度为125 μm时的位移分析
4 h/ |% e/ Z& Q5 l

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& ?* g3 b4 F. _: B- N+ K: U图5表示压电层长度为150 μm时的位移结果
+ f. i; O: A/ z: z: |( M

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图6显示压电层长度为175 μm时的位移特征

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图7展示压电层长度为200 μm时的位移分布情况

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2 h2 I. [$ ?# r! r; Y图8显示压电层长度为50 μm时的von Mises应力分布，固定端显示最大应力集中

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% I4 N9 S# q2 r9 t7 k+ }1 X) ?; R. y- x图9展示压电层长度为75 μm时的von Mises应力分析结果
1 f8 P: u( x; v! C1 ~4 }

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1 w) h+ _. T7 I2 f! j0 F, s图10呈现压电层长度为100 μm时的von Mises应力状态

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图11描述压电层长度为125 μm时的von Mises应力分布

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* H- ?3 y" D* }# q. m, e7 G图12表示压电层长度为150 μm时的von Mises应力情况

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图13显示压电层长度为175 μm时的von Mises应力特征
4 u, z7 V7 y5 B/ d$ x" t
$ @& O, G4 R, v, K1 g7 Q! k

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! ]# W$ s2 F5 X2 Z2 x/ K图14展示压电层长度为200 μm时的von Mises应力分布，显示应力随长度增加而增大
5 _  @7 B5 `+ m2 q6 p  B! S

mevfk1yj4mw64041005041.png

( T; y3 p! _. w' j; ^9 L图15显示压电层长度为50 μm时的电势分布，在固定端处出现最大电势值

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+ V! U, {; G# e/ r图16展示压电层长度为75 μm时的电势分布分析
2 w, t" ~- L- \# @  v7 \0 _$ t0 Z
5 e* I; z5 M1 _+ p3 s6 W5 z8 `

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* E' O; N: o% B7 u* l$ S9 c* R; m图17呈现压电层长度为100 μm时的电势分布状态

& m7 F0 e9 H, V' _: c$ A

5kqb00kjwx564041005342.png

7 [8 K  }' `$ u* X3 ?图18描述压电层长度为125 μm时的电势分布特征

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图19表示压电层长度为150 μm时的电势分布情况

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图20显示压电层长度为175 μm时的电势分布结果

! u$ b! Y' o2 ^6 `0 P5 h; y
7 q2 k* \- r  l图21展示压电层长度为200 μm时的电势分布，清晰表明电势从固定端向自由端逐渐降低的趋势

分析揭示了以下重要关系：
1. 位移特性：

压电层长度从50 μm增加到200 μm导致位移增大

较厚的压电层(5 μm和10 μm)由于刚度增加而减小位移

最大位移出现在悬臂梁自由端
' P7 e/ b/ i- ~0 h% |# q  r+ \
$ J: s5 c& b6 e2. 应力分布：
5 P; S  H  s( U

最大应力出现在悬臂梁固定端

较长的压电层产生更高的应力值

增加层厚度会由于位移减小而降低应力

7 ?, w8 \* ^! E! d7 X  ~6 ?3. 电势产生：
. b/ l" g/ C% V

电势在应力集中的固定端最高

较长的压电层产生更高的电势

较厚的层通常产生更高的电势，但超过5 μm后增益减少
3 b( i2 m8 R; A6 E6 F
悬臂梁参数的影响
悬臂梁的尺寸对器件性能有显著影响。
& Z4 B8 V$ B) ?( A( G! k" R
  Y% u1 V1 F: Z: f2 }  M  F图22显示悬臂梁长度为100 μm、梁厚度5 μm时的位移分布，呈现自由端的最大位移值
% I  {! K, L  w' F0 C+ f0 ]
3 @# X+ k# G( h/ t* b1 X9 B
: j& M! T% w9 ]& D) g图23展示悬臂梁长度增加到200 μm时的位移分布状态
1 O* K1 H: x& L: U' Q) ?6 Y
0 P. [* O& Q4 W! T$ h8 q* |9 _
( ]* c! s& z/ ]9 ?图24呈现悬臂梁长度为300 μm时的位移分布特征，位移值进一步增大


图25描述悬臂梁长度达到400 μm时的位移分布情况

* O: V7 D0 R2 H& ]; N: ~
图26展示悬臂梁长度为500 μm时的位移分析结果，显示出最大的位移值，验证了位移随梁长度增加而增大的趋势


图27显示悬臂梁长度为100 μm、梁厚度5 μm时的von Mises应力分布，在固定端出现应力集中
4 o5 {& q5 G+ p. {! \8 o) v' m

图28展示悬臂梁长度为200 μm时的von Mises应力分布，应力值相比100 μm有所增加
( i: |' |* [5 _% P; O5 u( m& z' Q
0 f& E- N7 B" ?' n7 l1 b
图29呈现悬臂梁长度为300 μm时的von Mises应力状态，显示更高的应力集中
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0 F( s6 z6 P2 ?) J# L
; U3 \- D5 {7 H* Z( ]: h  s. n9 C图30描述悬臂梁长度为400 μm时的von Mises应力分布，固定端应力继续增大

, ^0 r9 I/ Z6 t& Y
图31展示悬臂梁长度为500 μm时的von Mises应力分析结果，表明当梁长度达到最大值时，在固定端产生最大的应力集中


$ E/ q2 \, v- p! ]+ U5 d图32显示悬臂梁长度为100 μm、梁厚度5 μm时的电势分布，在固定端产生较小的电势值
+ f- v- [" z/ _2 ]  y
! F6 M1 D0 N5 a. F
图33展示悬臂梁长度为200 μm时的电势分布，电势值有所增加


图34呈现悬臂梁长度为300 μm时的电势分布状态，显示更高的电势产生
" q0 b7 ^$ @( Q3 _/ E( }
' Q7 S8 l6 [7 ?4 ]
图35描述悬臂梁长度为400 μm时的电势分布，电势值进一步提高

3 M. Z0 `* q- l7 `5 A
图36展示悬臂梁长度为500 μm时的电势分析结果，表明在最大梁长度下获得最高的电势输出，验证了电势随梁长度增加而增大的特性
5 C" f; ?% P! z
关于梁参数的主要发现包括：
1. 长度效应：

梁长度从100 μm增加到500 μm显著提高位移

较长的梁产生更高的应力值和电势

器件尺寸随梁长度成比例增大

3 q/ M% o; b" E: E7 r. I2. 厚度影响：

较厚的梁由于刚度增加而减小位移

应力水平随梁厚度增加而降低

电势产生与梁厚度成反比

更高的厚度增加谐振频率

& N' j7 M6 w% B+ M$ cP-VEH器件的优化设计需要仔细考虑这些参数以获得期望的性能特征。对于低频应用，具有适中厚度的较长梁由于较低的谐振频率和对环境振动的较高灵敏度而表现更好。
* P0 L+ M. d" f* g4 J- ]/ h* ~
全面的分析为设计针对特定应用需求的P-VEH器件提供了有价值的见解，几何参数与性能指标之间的相互作用使工程师能够在保持结构完整性和运行稳定性的同时，优化器件设计以获得最大的能量收集效率。
9 f8 Z/ E( X  t/ O5 x
' \/ e( H6 J9 d+ f" ]- c* T- q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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