基于MEMS的引导梁式压电能量收集器的测试与表征

逍遥设计自动化

引言
+ _; A! t* }9 O+ \+ P+ N5 F' _压电能量收集器能将环境振动转换为电能。本文探讨了基于MEMS的双梁和四梁引导式压电振动能量收集器(P-VEH)的测试和表征，重点关注结构特性和动态性能[1]。
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# b$ C3 |5 {; s( d& Z8 c结构分析和材料表征
器件的结构表征首先使用X射线衍射(XRD)分析沉积材料的相取向。XRD图谱显示两个主要峰：一个在34.4°处代表氧化锌(ZnO)材料，另一个在38.18°处对应金(Au)电极。ZnO薄膜表现出强烈的c轴取向，对压电性能具有重要影响。
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图1：XRD图谱显示(a)器件中ZnO和Au材料的峰值，以及(b)沉积在裸硅片上的ZnO，展示了沿c轴的高度定向生长。

0 Y/ D% W% X! M扫描电子显微镜(SEM)成像提供了器件结构的详细信息。金字塔形惯性质量底部尺寸为3084×3094μm，顶部尺寸为3554×3353μm，与设计规格非常接近。

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图2：SEM图像显示金字塔形惯性质量的(6.2)底视图和(6.3)俯视图，展示了精确的制造工艺。
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6 m9 b% x0 Z8 t* e! k6 u% v对梁电极进行了仔细检查，制造的底部电极尺寸为2543×1978μm，与设计规格2500×1980μm非常接近。
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( [% m, l  U2 V3 d2 ~. F图3：SEM图像显示带底电极的梁结构和尺寸为675μm的分离电极。

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/ U0 K9 o0 v% ]; G/ w$ B* U动态性能分析
1 g1 h' Q$ I$ f& y4 D使用激光多普勒振动计(LDV)进行动态表征，测定两种器件的共振频率和位移特性。

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' _8 a5 m& h& [* g& v# p图4：在CSIR-CEERI使用的LDV实验装置，用于测量器件的动态响应。

对于优化后的第二批器件，共振频率显著降低。双梁器件的共振频率为466Hz，四梁器件的工作频率为515Hz。这些频率特别适合从电机、转子、发动机和涡轮等常见环境振动源收集能量。
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* `8 p7 ^) Y* n% P0 _' e图5：频率-位移曲线显示双梁器件在466Hz和四梁器件在515Hz的共振频率。

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* }2 s6 m! I- j* J# `& d0 W输出性能和灵敏度测试
% z! c- k& v( @: N$ \6 n$ v使用SPEKTRA SE-10振动激励器对器件进行全面振动测试，测量输出电位和灵敏度。
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; f  i0 P" ?% g图6：安装在SPEKTRA SE-10振动激励器上的器件和测试配置的放大视图。

8 ?9 e6 x' h0 `3 t* u灵敏度测量在不同频率范围内显示出独特的性能特征。在50-1000Hz频率范围内，两种器件在共振频率附近表现出最佳性能。四梁器件显示出更优的整体灵敏度，产生4.09272 mV/m/s2，而双梁器件产生2.2784 mV/m/s2。
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图7：引导式双梁和四梁器件的灵敏度比较，显示(a)50-1000Hz频率范围和(b)10-50Hz低频范围。

还对器件在不同加速度水平下的电压输出进行了测试。在5g加速度下，双梁器件产生6.7mV，四梁器件产生5.1155mV。

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3 p3 x3 Q' W7 D# |图8：两种器件在0.5g至5g加速度范围内的输出电压比较。
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4 i# Q; s& [; Y5 g优化后的器件在低频能量收集应用方面取得了显著进展。实现的共振频率是此类器件中最低的，特别适合于实际应用中常见的低频振动环境。首次报道的四梁配置与传统双梁设计相比表现出更好的性能。
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这些结果表明，通过并联和串联集成策略，两种器件配置都可以在微传感器网络(MSN)或无线传感器网络(WSN)中有效使用，以实现更高的电压和功率输出。这些器件在各种工业和环境监测应用中展现了自供电电子系统的实现价值。
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$ {" i. o6 G+ r1 c1 T# q9 F# \! \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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