MEMS压电能量收集器的设计和分析

逍遥设计自动化

引言
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]。

单梁悬臂能量收集器
+ Y( [+ {; k  l4 {. I! R, E4 W$ u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。

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8 x" D: N1 n. k& v3 ^5 ?/ r' W/ E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。
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: m( k' d" E: w' g3 x0 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。
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4 A! F  q, K" U4 Y9 W2 U! ~- m; y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。
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7 l# s9 t% s% Z; r9 O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。
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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。
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! K. o4 O9 ?6 I6 ]0 J图4展示了三个悬臂的发生器阵列，

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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。
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) r$ \8 p+ P& F. g! j9 {导向梁结构
) G! p0 T0 @% f0 @: @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。
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# U5 L" d! }/ p图6呈现了导向双梁结构产生的本征模式。
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图7显示了导向梁结构的位移与弧长特性。
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; l* t2 E# C& s9 g惯性质量形状的影响
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。
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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。
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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。
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. n  S5 O! T6 K- k+ m5 |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。
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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。

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.

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