基于MEMS的低頻壓電能量收集器件設(shè)計

逍遙設(shè)計自動化

引言
能量收集技術(shù)作為小型電子器件的可持續(xù)能源供應(yīng)方案備受關(guān)注�；�于MEMS的壓電振動能量收集器件(P-VEH)能將環(huán)境中的機械振動轉(zhuǎn)換為可用的電能是有效的解決方案，本文探討了針對低頻應(yīng)用的懸臂梁型P-VEH器件的設(shè)計考慮因素和分析方法[1]。

( c; c2 B& M4 Q4 ]低頻振動源的理解
實際環(huán)境中的振動源通常在低頻范圍內(nèi)運行，非常適合能量收集應(yīng)用。常見的振動源包括汽車和發(fā)動機的電機振動(30-300 Hz)、人體振動(~400 Hz)和切割機振動(500-2000 Hz)。由于懸臂梁型P-VEH設(shè)計具有較低的諧振頻率和對環(huán)境振動的高靈敏度，特別適合這些應(yīng)用場景。

  e( [& q7 j  m# Q+ V# U壓電層參數(shù)的影響
P-VEH器件的性能受壓電層尺寸的顯著影響。下面分析壓電層的長度和厚度如何影響關(guān)鍵性能指標。
% B( W( c4 }  b
圖1顯示壓電層長度為50 μm時的位移分析結(jié)果

( E- z. f. C3 h4 h8 ~
圖2展示壓電層長度為75 μm時的位移分布
4 c+ ]' e1 d0 y' C
3 |  f5 M0 Z: Z0 G; E
, f- C. @! _4 F$ |+ _2 [圖3呈現(xiàn)壓電層長度為100 μm時的位移情況
% B/ {7 z4 K* V
1 X6 [5 V, J! t( V
, b) \9 Y# R, [. Y" G& o( M圖4描述壓電層長度為125 μm時的位移分析

( V- `5 N( d" m+ e; ~
5 P1 e& f0 G6 P% Y3 k! Z圖5表示壓電層長度為150 μm時的位移結(jié)果


圖6顯示壓電層長度為175 μm時的位移特征


圖7展示壓電層長度為200 μm時的位移分布情況
: Z+ k+ G8 G, e
3 G! F0 L0 x; o7 c$ M$ M) S( @
: G3 S) c( W( P2 i  `  D- m" E- e# s圖8顯示壓電層長度為50 μm時的von Mises應(yīng)力分布，固定端顯示最大應(yīng)力集中
# R6 I" c4 y: s! Z2 \
6 y) N) `+ U  t% Z( N
圖9展示壓電層長度為75 μm時的von Mises應(yīng)力分析結(jié)果

圖10呈現(xiàn)壓電層長度為100 μm時的von Mises應(yīng)力狀態(tài)
  r/ T; ]7 V( e4 ~9 \* m1 i

圖11描述壓電層長度為125 μm時的von Mises應(yīng)力分布
* g; Y/ Y! @5 `3 t& f
% l, M5 T7 p3 E: V) i8 ^5 b
' g$ L2 V+ b5 D- }  w圖12表示壓電層長度為150 μm時的von Mises應(yīng)力情況
. v& z9 G# R) ^: Z  M2 s2 `8 I: g

- }! T% j7 g/ |1 M7 E) @圖13顯示壓電層長度為175 μm時的von Mises應(yīng)力特征
4 q1 B- n8 `9 N$ X

0 W! O, j$ [8 d/ R2 U$ c圖14展示壓電層長度為200 μm時的von Mises應(yīng)力分布，顯示應(yīng)力隨長度增加而增大
$ x) N: h% O5 |; J$ u% E; s
/ X) E' j. n1 K6 D
圖15顯示壓電層長度為50 μm時的電勢分布，在固定端處出現(xiàn)最大電勢值


圖16展示壓電層長度為75 μm時的電勢分布分析
9 F9 i+ o$ K& r/ q7 r% o: S0 a

圖17呈現(xiàn)壓電層長度為100 μm時的電勢分布狀態(tài)
8 e) ?. O* D/ ]: \  Q5 k

圖18描述壓電層長度為125 μm時的電勢分布特征
1 t1 z: }2 c* j, i! s

8 ^8 }. g; s4 ]2 v9 D, N# x圖19表示壓電層長度為150 μm時的電勢分布情況


圖20顯示壓電層長度為175 μm時的電勢分布結(jié)果


3 j7 F4 A& Z, s) C, i# q! M圖21展示壓電層長度為200 μm時的電勢分布，清晰表明電勢從固定端向自由端逐漸降低的趨勢

分析揭示了以下重要關(guān)系：
) H# G' @" w$ C( N( T1. 位移特性：

壓電層長度從50 μm增加到200 μm導致位移增大

較厚的壓電層(5 μm和10 μm)由于剛度增加而減小位移

最大位移出現(xiàn)在懸臂梁自由端

2. 應(yīng)力分布：

最大應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂梁固定端

較長的壓電層產(chǎn)生更高的應(yīng)力值

增加層厚度會由于位移減小而降低應(yīng)力

+ ~9 N& o; x) y, C2 b+ w4 t3. 電勢產(chǎn)生：

電勢在應(yīng)力集中的固定端最高

較長的壓電層產(chǎn)生更高的電勢

較厚的層通常產(chǎn)生更高的電勢，但超過5 μm后增益減少

$ z# i/ ]: {6 ]4 J" G+ Q& ~! p4 x* a3 r懸臂梁參數(shù)的影響
懸臂梁的尺寸對器件性能有顯著影響。

; J4 G  W; ~, n# _/ }( b5 J0 M圖22顯示懸臂梁長度為100 μm、梁厚度5 μm時的位移分布，呈現(xiàn)自由端的最大位移值

: G, J3 @/ N  L' J: \  b/ q% L
圖23展示懸臂梁長度增加到200 μm時的位移分布狀態(tài)
5 ^" s1 Y+ t+ p- U

$ \  ?8 Q8 U0 x9 g5 e3 ~6 ?- K圖24呈現(xiàn)懸臂梁長度為300 μm時的位移分布特征，位移值進一步增大

' y4 U/ G/ A+ N2 T
圖25描述懸臂梁長度達到400 μm時的位移分布情況


6 b) O" v& \, d$ A, P6 I& {- c8 T圖26展示懸臂梁長度為500 μm時的位移分析結(jié)果，顯示出最大的位移值，驗證了位移隨梁長度增加而增大的趨勢
" u) j; E2 ?( c' G/ X
  T# o" }0 ]% \* g6 P- z$ {
% ^0 Z0 ]% ~& X$ I0 N# x& m圖27顯示懸臂梁長度為100 μm、梁厚度5 μm時的von Mises應(yīng)力分布，在固定端出現(xiàn)應(yīng)力集中

7 C/ b0 i( E6 Q
圖28展示懸臂梁長度為200 μm時的von Mises應(yīng)力分布，應(yīng)力值相比100 μm有所增加
' k+ c" z" G1 |; {( e: d" \
2 H1 E2 ^% B1 l  I* e* G7 f4 D
圖29呈現(xiàn)懸臂梁長度為300 μm時的von Mises應(yīng)力狀態(tài)，顯示更高的應(yīng)力集中
! O9 p2 f# h% g+ I4 _0 e9 a

7 O: `/ W, P- G) T& p* c圖30描述懸臂梁長度為400 μm時的von Mises應(yīng)力分布，固定端應(yīng)力繼續(xù)增大
: ~* U: c8 s4 b# b- O! ~
1 ^7 I. R! \7 y6 \% X" A0 z
4 D5 N2 s, D, |+ `圖31展示懸臂梁長度為500 μm時的von Mises應(yīng)力分析結(jié)果，表明當梁長度達到最大值時，在固定端產(chǎn)生最大的應(yīng)力集中

9 F4 w2 _0 W" z
圖32顯示懸臂梁長度為100 μm、梁厚度5 μm時的電勢分布，在固定端產(chǎn)生較小的電勢值
/ Y; c; ?8 F7 |& i' J

圖33展示懸臂梁長度為200 μm時的電勢分布，電勢值有所增加
: s1 l8 t* t% _# ]
$ |6 ^# B1 R2 x% T/ D4 G1 }
圖34呈現(xiàn)懸臂梁長度為300 μm時的電勢分布狀態(tài)，顯示更高的電勢產(chǎn)生
  |( ?6 y; H# H  o

圖35描述懸臂梁長度為400 μm時的電勢分布，電勢值進一步提高


圖36展示懸臂梁長度為500 μm時的電勢分析結(jié)果，表明在最大梁長度下獲得最高的電勢輸出，驗證了電勢隨梁長度增加而增大的特性
  @" ^& [. V& {/ x2 g& [3 C
關(guān)于梁參數(shù)的主要發(fā)現(xiàn)包括：
1. 長度效應(yīng)：

梁長度從100 μm增加到500 μm顯著提高位移

較長的梁產(chǎn)生更高的應(yīng)力值和電勢

器件尺寸隨梁長度成比例增大

5 m  C: {# v; M  P) R2. 厚度影響：
3 C* _1 ^( `2 c# ^! W' D8 E

較厚的梁由于剛度增加而減小位移

應(yīng)力水平隨梁厚度增加而降低

電勢產(chǎn)生與梁厚度成反比

更高的厚度增加諧振頻率

2 c# t% H* G, `) R4 kP-VEH器件的優(yōu)化設(shè)計需要仔細考慮這些參數(shù)以獲得期望的性能特征。對于低頻應(yīng)用，具有適中厚度的較長梁由于較低的諧振頻率和對環(huán)境振動的較高靈敏度而表現(xiàn)更好。
" ]5 M1 F9 v0 S7 b7 s
全面的分析為設(shè)計針對特定應(yīng)用需求的P-VEH器件提供了有價值的見解，幾何參數(shù)與性能指標之間的相互作用使工程師能夠在保持結(jié)構(gòu)完整性和運行穩(wěn)定性的同時，優(yōu)化器件設(shè)計以獲得最大的能量收集效率。
, Y# Z0 N  i1 Q5 f% _
: w/ Y7 |8 J7 w. A  h/ G0 U1 J參考文獻
9 {9 h$ d' z2 k/ q. [; s5 H9 u[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.

END
2 f6 ^; }4 y7 s" p5 R

軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
# s$ E, v' A/ |1 u4 |  q! ?點擊左下角"閱讀原文"馬上申請

# _9 y$ b+ E; B1 X# R# D9 h歡迎轉(zhuǎn)載

" b$ n5 G1 W0 ]. X轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

) y/ G+ P" b8 k* b5 G( |

6 B7 K7 h7 v* ~& |

關(guān)注我們

# n) A+ [) @4 l1 `

) p3 k8 I0 T2 `: H) w$ Q

" n) I* k  J1 G, P0 P & ~! M0 ~" I2 Q1 h- b, N8 m

                     



關(guān)于我們：
/ F% `$ a# D& C! a, [深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
1 s: }8 C4 ]- [, U  m& v- f
http://www.latitudeda.com/
（點擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）