一种用于振动能量收集的基于MEMS的压电发电机阵列外文翻译资料

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一种用于振动能量收集的基于MEMS的压电发电机阵列

摘要

微机电系统（MEMS）技术制造的压电发电机可以从低层环境振动源中获取功率。已开发的微机电系统发电机具有微瓦/窄工作频率和微瓦级功率输出特性，而环境振动频率在一定范围内波动，功率输出不足。在本文中，研究了基于厚膜压电悬臂梁的发电机阵列，以改善频率灵敏度和功率输出。压电悬臂阵列已被设计和制造。悬臂阵列可以调谐到频率并扩大环境低频振动中的激励频率带宽。研究了阵列悬臂之间的串联连接。原型发生器具有3.98mW有效电功率和3.93直流输出电压到电阻负载的测量性能。该设备有望支持超低功耗，点对点无线节点网络。

关键词：能量收集; MEMS; 悬臂阵列; 振动频率; 串行连接; 低频

1. 介绍

随着无线和微机电系统（MEMS）技术的最新进展，传感器几乎可以放置在任何地方 [1,2]。由于这些无线传感器的性质，它们包含自己的电源是非常紧迫的。 在大多数情况下，这种电源是传统电池。但是，电池的使用寿命很短，一旦电量消失，必须取回传感器并更换电池。将这些传感器放置在远处时，获取和更换电池可能是一项昂贵的任务。

通过MEMS技术从环境振动中收集能量是有前途的替代方案之一。振动可以使用三种方式转换成电能。

机电换能器的类型：电磁 [1]，静电 [1]，和压电 [2–16]。 压电振动-电力转换器具有高机电耦合性，不需要外部电压源，并且尤其用于MEMS中，特别是用于体积受限的无线传感器节点 [11]。Glynne-Jones等人 [9,10] 和舒和莱恩 [11] 提供了一种设计，建模和优化振动发生器转换效率的方法。Jeon开发了一种使用d33模式的基于MEMS的薄膜压电发电机。其谐振工作频率为13.7 kHz [12]。Roundy报道了一种微小的压电悬臂梁（9-25mm长）的原型，其自由端具有相对较重的质量，其可以在2.5Hz / s2的120Hz的振动源下产生375mW。但是，该设备的规模比大多数MEMS设备的规模要大 [13]。杜托伊特等人[14] 提出了低水平MEMS收集器的原型。 另一种基于MEMS的压电发电机设计用于通过添加基于UV-LIGA技术的镍质量块来收集低频振动能量 [15,16]。

迄今为止，已开发的MEMS发电机具有微瓦级或窄操作频率和功率输出，而微环境振动的频率在一定范围内，而微瓦则不足以用于功率电流感测节点。在本文中，研究了基于厚膜压电悬臂梁的发电机阵列，以改善功率输出和频率灵活性。此外，由于环境振动中的许多源处于低频（0-1000 Hz），所以悬臂设计在低频范围内工作。

1. 结构设计和原型制造

悬臂梁配置选择简单，与MEMS制造工艺兼容，结构刚度低。 光束配置是由硅基底框架，单个压电元件（夹在一对金属（Pt / Ti）电极之间的层）和自由端的检验金属块组成的结构，如图1。

悬臂装置的操作如下。当设备的底座由于环境基础而振动时，同时输入的力会进入这个二阶机械系统，那么悬臂的一些部分将会相对于底座移动。相对位移导致系统中的压电材料被拉紧或压缩，这又由于压电效应而引起电荷移位和累积。电荷电压的大小与相对位移引起的应力成正比。

图1.单悬臂梁的示意配置

众所周知，共振会显着增大相对位移。因此，微型发生器在周围振动的频率处机械共振可以产生最大电功率。结构的固有频率大约为 (刚度k和质量m)。这表明悬臂的尺寸结构变化可以调节发电机的固有频率。单个悬臂式发电机装置 [10] 揭示了其在不同激励频率下的输出电压性能如图2。

在很多情况下，驱动频率在器件设计和制造之前就已知了。 然而，在其他情况下，此频率将不会事先知道，或者可能随时间而改变。 考虑这种器件的大规模制造也是相关的。 因此，创建一个可以在一定范围的振动频率下有效运行的设备显然是有利的。

Roundy等人[13]提出了两种调谐光束谐振频率的方案。一种是通过固定螺钉或其他装置来施加轴向预载荷，这些装置推动梁两端的夹具，被动地控制梁的刚度k以调整其共振点。第二种主动调谐方法是设计具有更宽带宽的设备，将一个长悬臂中的N个弹簧质量阻尼器系统连接起来。

这两种解决方案对于解决谐振频率问题是有效的，但由于其结构相对复杂，它们不适用于MEMS制造。

我们的设计中引入了谐振频率的重叠效应。具有多个悬臂的MEMS阵列被设计为其单个悬臂表现出接近共振频率的一个接一个。每个悬臂是一个弹簧质量阻尼系统自由度。 当具有更接近共振频率的悬臂作为阵列连接在一起时，可用带宽将覆盖阵列中悬臂梁的最小到最大共振值的范围。 另一方面，MEMS制造技术确保了具有阵列中各种结构参数的大量生产悬臂的优点。

这里使用的微制造技术主要涉及功能性lms制备和图案，体硅微加工，结构释放和质量集合 [15,16]。 首先设计具有较高谐振频率的悬臂，并设计合理的结构参数。 共振频率的中心水平由目标振动频率水平决定。 通过成熟的模态仿真，如ANSYS软件，可以选择结构参数。 基于阵列结构参数选择和悬臂分布的设计，可以制备MEMS制造的掩模版图。 制造工艺的细节可以参考参考文献。 [16,17]。 尽管参考文献 [15,16] 只引入单个悬臂，悬臂阵列的过程与参考文献相似。 [15,16]. 图3 说明制造过程。 图中显示了一个制造的发电机阵列如图4。 悬臂的尺寸是12毫米硅层厚度，3.2毫米PZT层厚度，长度和宽度分别在2000-3500和750-1000毫米范围内。 自然频率在200-400赫兹范围内。

1. 测试和分析

所制造的发电机站立在可控制的振动源（振动频率可调，振动加速度为0.5g）下进行振动电量测量。顶部和底部电极上的金属焊盘通过引线连接到负载（电阻器），使用示波器监测和记录负载电压信号。如图5 显示了原理图

图2.输出电压与激励频率的关系

图3微功率发生器阵列的制作过程：（1）功能性薄膜制备：SiO2/ Ti / Pt / PZT / Ti / Pt，（2）功能性lms图形，（3） （4）用氢氧化钾溶液进行背面深度蚀刻，（5）通过RIE悬臂释放，以及（6）金属块微制造和组装。

图4发电机阵列原型图

图5压电发电机的性能测试：（1）固有频率和交流输出电压，（2）输出到可调电阻的交流电输出，（3）电桥关断后的电压，（4）电容器充电。

表格1

阵列中三个悬臂的各自性能

图6.单个悬臂式发电机的性能：（1）示波器上的交流输出电压 图7.阵列中三个悬臂的交流输出及其串联连接。（2）全波交流后的输出电压，（3）充电电容上的电压。

4.每个悬臂的测试方法和测量结构

在测试和分析中，将三个悬臂（C1，C2和C3）作为阵列作为测量样本。 相关信息请参见 表格1。 带宽覆盖226-234赫兹，这表明悬臂阵列具有比单个悬臂更宽的带宽。 测量各自的性能，包括固有频率，输出电压，矩形特性和电容器电荷。 图6 说明了悬臂C1的性能。

作为一个阵列，这三个悬臂是电连接的。 当它们直接连接时，来自不同悬臂的交流电源可以被抵消，因为它们具有不同的相位。 图7 示出了在229Hz的频率下激励的阵列，并且每个悬臂的交流输出电压分别为2.01V（C1），1.64V（C2）和1.606V（C3）。 直接串行连接后的交流输出电压约为3.06 V，远低于2.01 1.64 1.606 = 5.256 V的值。如图所示 图7，存在近1201的相位差在C2和C1之间。 相位差影响了这三个悬臂的电积聚。 交流后电容器两端的直流电压仅为2.51 V，最大直流电输出功率约为3.15 mW。

下面提供了解决这个问题的一种方法。 一个直流输出电压可以通过整流来自每个悬臂的交流输出电压来实现更高的电压，就像串联电池一样。 来自不同悬臂的输出电压无法抵消。 图8 显示串行连接方法。

经过AC-DC整流和所有悬臂串联连接后，直流电压上升至3.93 V，最大直流输出功率约为3.98 mW。 尽管整流电路消耗了一些电能，但与交流信号下的直接连接相比仍然占有优势。

另一方面，交直流交直流连接后的阵列中的悬臂显示出比单独的更宽的带宽。 看来叠加/累积效应对于扩大发电机的带宽是有效的。

5.结论

总之，通过利用PZT lm作为传感器来收集环境低水平振动，已经研究了微型发电机阵列。它是由MEMS工艺成功制造的。 该原型发生器具有3.98mW的有效电功率和3.93直流输出电压的测量性能。实验结果表明，该阵列器件有望改善发电机的运行带宽和功率输出。这表明该发电机的发展潜力满足无线/嵌入式传感器网络中的应用。

参考

1. A. Chandrakasan，R. Amirtharajah，J. Goodman，W. Rabiner，Trends in low power digital signal processing，Int。 SYMP。 电路系统。 4（1998）604-607。
2. SP Beeby，MJ Tudor，NM White，用于微系统应用的能量收集振动源，Meas。 科学。 TECHNOL。 17（2006）175-195。
3. WJ Li，TCH Ho，GMH Chan，PHW Leong，HY Wong，Infrared signal transmission by a laser-micromachined vibrationindced power generator，in：Proceedings of the 43 IEEE IEEE Midwest Symposium on Circuits and Systems， 1，2000，pp.236-239。
4. CB Williams，RB Yates，Analysis of a micro-electric generator for microsystems，Sensors Actuators A 52（1996）8-11。R. Amirtharajah，AP Chandrakasan，Self-powered signal processing using vibration-based power generation，IEEE J.Solid State Circuits 33（1998）687-695。
5. S. Meninger，JO Mur-Miranda，R. Amirtharajah，AP Chandra-kasan，JH Lang，Vibration-to-electric energy conversion，IEEE Trans。 超大规模积分器。 VLSI Syst。 9（1）（2001）64-76。
6. R. Tashiro，N. Kab

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