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壓電MEMS振動能量收集器的輸出功率提高近100倍

MEMS ? 來源:MEMS ? 2023-01-29 11:20 ? 次閱讀

能量收集在很多情況下“幾乎不需要付出任何成本”,具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而,利用這種幾乎免費的能源為電池或超級電容器充電再為負載供電,仍然需要面對很多挑戰(zhàn)。

其中,“脈沖”振動尤其困難,其能量脈沖很快消失(高度衰減),因此難以捕獲。

據(jù)麥姆斯咨詢報道,日本大阪公立大學(xué)(Osaka Metropolitan University)工程研究生院的一組研究人員開發(fā)出了一種簡單而有效的方法,以利用步行等脈沖源的能量。

他們開發(fā)的壓電MEMS振動能量收集器(pVEH)的直徑只有約兩厘米,其U形金屬部件被稱為動態(tài)放大器(DM)。

與傳統(tǒng)的能量收集相比,他們開發(fā)的新型pVEH可將脈沖振動轉(zhuǎn)換的輸出功率提高約90倍。

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他們面對的挑戰(zhàn)是開發(fā)一種非諧振型pVEH,能夠應(yīng)對時變和隨機振動,這些振動代表了現(xiàn)實世界中的大部分振動。當(dāng)施加的振動頻率與諧振頻率略有不同時,具有高機械品質(zhì)因數(shù)(QM)的pVEH輸出功率會急劇下降。

為此,業(yè)界已經(jīng)提出了各種方法來克服這個問題。

例如,通過集成具有不同諧振頻率的多個線性pVEH以拓寬頻率帶寬,開發(fā)一種能量收集陣列結(jié)構(gòu)來覆蓋多個頻率。

另一種可能的方法是采用非線性振動效應(yīng)。非線性彈簧已經(jīng)用于磁性尖端質(zhì)量或雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),以及使用可移動檢測質(zhì)量進行電氣或機械調(diào)節(jié)的自諧振調(diào)諧(SRT)。

然而,電氣SRT的控制需要能量,而機械SRT的機制很復(fù)雜。

2 DoF振動系統(tǒng)

雖然這些方法對連續(xù)的隨機振動很有用,但當(dāng)沖擊力非連續(xù)時,它們就不適用了,而且這種情況經(jīng)常發(fā)生。盡管采用大檢測質(zhì)量可以提高輸出能量,但這對于MEMS pVEH來說不是一個好的選擇,因為MEMS工藝不適合制造大尺寸器件。

此外,所需壓電薄膜的厚度會隨著檢測質(zhì)量的增加而增加。

為了增強由脈沖力驅(qū)動的MEMS pVEH的輸出能量,研究人員模擬了一種具有重疊振動模式和諧振的二自由度(2 DoF)振動系統(tǒng),原理上應(yīng)該能夠大大增強能量回收和收集。

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利用2 DoF系統(tǒng)中pVEH集總參數(shù)模型評估關(guān)鍵參數(shù)不同值的性能

根據(jù)建模結(jié)果,包括兩個振動振蕩器(2 DoF)的耦合度,他們構(gòu)建了一個MEMS器件和一個尺寸合適的動態(tài)放大器。

由于材料和壓力的本質(zhì)不同,這兩個功能塊被構(gòu)建為單獨的器件:壓電MEMS器件使用Pb(Zr, Ti)O3和BiFeO3薄膜,而動態(tài)放大器使用不銹鋼來減少內(nèi)摩擦(這是影響動態(tài)放大器品質(zhì)因數(shù)的因素之一)。

此外,動態(tài)放大器需要一種振動模式以在pVEH的諧振頻率附近與懸臂結(jié)構(gòu)進行過渡運動,從而可以有效地將存儲的能量傳遞到pVEH。為此,研究人員開發(fā)了一種U形動態(tài)放大器。

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U形2 DoF pVEH結(jié)構(gòu)和制造,(a)使用有限元建模的振動模式分析,(b)動態(tài)放大器位移和輸出功率對振動頻率(c, d)的依賴性。

測試

研究人員利用振動發(fā)生器和加速度計對他們制作的裝置進行了測試,并通過連接到鎖定放大器的激光位移傳感器測量了位移。利用鎖定放大器測量了與MEMS pVEH連接的負載電阻兩端的輸出電壓。

結(jié)果表明,對于現(xiàn)實世界的非平穩(wěn)(脈沖)振動以及諧波振動,與傳統(tǒng)的單自由度(1 DoF)版本相比,2 DoF pVEH可以將輸出功率提高近兩個數(shù)量級。

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與傳統(tǒng)1 DoF技術(shù)相比,2 DoF方案實現(xiàn)了顯著改進





審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:借助U型動態(tài)放大器,壓電MEMS振動能量收集器的輸出功率提高近100倍

文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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