借助U型动态放大器，压电MEMS振动能量收集器的输出功率提高近100倍
2023-01-23 20:13:36 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
对于现实世界的非平稳（脉冲）振动以及谐波振动，与传统的单自由度（1 DoF）版本相比，2 DoF压电MEMS振动能量收集器（pVEH）可以将输出功率提高近两个数量级。
能量收集在很多情况下“几乎不需要付出任何成本”，具有广阔的应用前景。然而，利用这种几乎免费的能源为电池或超级电容器充电再为负载供电，仍然需要面对很多挑战。其中，“脉冲”振动尤其困难，其能量脉冲很快消失（高度衰减），因此难以捕获。
据麦姆斯咨询报道，日本大阪公立大学（Osaka Metropolitan University）工程研究生院的一组研究人员开发出了一种简单而有效的方法，以利用步行等脉冲源的能量。他们开发的压电MEMS振动能量收集器（pVEH）的直径只有约两厘米，其U形金属部件被称为动态放大器（DM）。与传统的能量收集相比，他们开发的新型pVEH可将脉冲振动转换的输出功率提高约90倍。
他们面对的挑战是开发一种非谐振型pVEH，能够应对时变和随机振动，这些振动代表了现实世界中的大部分振动。当施加的振动频率与谐振频率略有不同时，具有高机械品质因数（QM）的pVEH输出功率会急剧下降。为此，业界已经提出了各种方法来克服这个问题。例如，通过集成具有不同谐振频率的多个线性pVEH以拓宽频率带宽，开发一种能量收集阵列结构来覆盖多个频率。
另一种可能的方法是采用非线性振动效应。非线性弹簧已经用于磁性尖端质量或双稳态结构，以及使用可移动检测质量进行电气或机械调节的自谐振调谐（SRT）。然而，电气SRT的控制需要能量，而机械SRT的机制很复杂。
2 DoF振动系统
虽然这些方法对连续的随机振动很有用，但当冲击力非连续时，它们就不适用了，而且这种情况经常发生。尽管采用大检测质量可以提高输出能量，但这对于MEMS pVEH来说不是一个好的选择，因为MEMS工艺不适合制造大尺寸器件。此外，所需压电薄膜的厚度会随着检测质量的增加而增加。
为了增强由脉冲力驱动的MEMS pVEH的输出能量，研究人员模拟了一种具有重叠振动模式和谐振的二自由度（2 DoF）振动系统，原理上应该能够大大增强能量回收和收集。
利用2 DoF系统中pVEH集总参数模型评估关键参数不同值的性能
根据建模结果，包括两个振动振荡器（2 DoF）的耦合度，他们构建了一个MEMS器件和一个尺寸合适的动态放大器。由于材料和压力的本质不同，这两个功能块被构建为单独的器件：压电MEMS器件使用Pb（Zr, Ti）O3和BiFeO3薄膜，而动态放大器使用不锈钢来减少内摩擦（这是影响动态放大器品质因数的因素之一）。
此外，动态放大器需要一种振动模式以在pVEH的谐振频率附近与悬臂结构进行过渡运动，从而可以有效地将存储的能量传递到pVEH。为此，研究人员开发了一种U形动态放大器。
U形2 DoF pVEH结构和制造，（a）使用有限元建模的振动模式分析，（b）动态放大器位移和输出功率对振动频率（c, d）的依赖性。
测试
研究人员利用振动发生器和加速度计对他们制作的装置进行了测试，并通过连接到锁定放大器的激光位移传感器测量了位移。利用锁定放大器测量了与MEMS pVEH连接的负载电阻两端的输出电压。
结果表明，对于现实世界的非平稳（脉冲）振动以及谐波振动，与传统的单自由度（1 DoF）版本相比，2 DoF pVEH可以将输出功率提高近两个数量级。
与传统1 DoF技术相比，2 DoF方案实现了显著改进
该论文以“Enhanced performance on piezoelectric MEMS vibration energy harvester by dynamic magnifier under impulsive force”为题发表于Applied Physics Letters期刊。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0116838
延伸阅读：
上一篇：用于多感知-存储-计算的自供电高灵敏度一体式垂直摩擦晶体管
下一篇：最后一页