Un piezoelectric matrice generator de energie pe baz de MEMS pentru vibraiirecoltarea de energieJing- Quan Liua , , Hua - Bin Fanga , Zheng - Yi Xub , Xin Hui - MAOB , Xiu - Cheng Shena ,Di Chena , Hang Liaob , Bing - Chu CaiaaNational Lab cheie de Micro / Nano fabricatie Tehnologie , Lab cheie pentru Thin Film i Tehnologie Micro- fabricarea de Ministerul Educaiei,Institutul de Micro / Nano Stiinta si Tehnologie , Shanghai Jiao Tong University , Shanghai 200030 , PR ChinaBacs Senzori Lab , Honeywell , Shanghai 201203 , PR ChinaA primit 13 septembrie 2007; a acceptat 15 decembrie 2007Disponibil online 20 februarie 2008

AbstractGenerator de energie piezoelectric realizate de sistem microelectromechanical (MEMS), tehnologia poate curata de putere de la low-levelSurse de vibraii ambiante. Generatorul de putere MEMS dezvoltate sunt prezentate cu frecven fix / ngust de funcionare i putereieire n nivel microwatt, n timp ce, frecvena de vibraie nconjurtor plutete n unele gam, i puterea este insuficient. In acesthrtie, o matrice generator de energie pe baza gros filmate console piezoelectrice este cercetat pentru a mbunti flexibilitatea frecven i putereieire. Console piezoelectrice matrice a fost proiectat i fabricate. Matrice console poate fi acordat pe frecvena iextins de lime de band de frecven excitat n vibraie de joas frecven nconjurtor. Conexiune Serial printre console de matrice esteinvestigat. Generatorul prototip are o performan msurat de 3,98 mW energie electric eficient i tensiunea de ieire 3,93 DC lancrcare rezisten. Acest dispozitiv este promitoare pentru a sprijini reelele de ultra-low-power, peer-to-peer, noduri wireless.r 2007 Elsevier Ltd. Toate drepturile rezervate.PACS: 84.60.Bk; 85.85 + J.; 85.50. NCuvinte cheie: recoltarea de energie; MEMS; Console matrice; Frecvena de vibraie; Conexiune Serial; Frecven joas

1. IntroducereCu recentele progrese in wireless i microelectromechanicalsistem de tehnologie (MEMS), senzori de aucapacitatea de a fi plasate aproape oriunde [1,2]. DatoritNatura acestor senzori fr fir, este urgent ca eiconine propria lor alimentare. In cele mai multe cazuri aceast putereaprovizionare este bateria convenional. Cu toate acestea, bateriaare o durata de viata finit i o dat stins puterii sale,Senzorul trebuie s fie preluate i nlocuirea bateriei. Cuaceti senzori fiind plasate n locaie la distan, poate devenio sarcin costisitoare pentru a obine i nlocuii bateria.Recoltarea de energie din vibraii ambiant de MEMSTehnologia este una dintre alternativele promitoare.vibraie poate fi convertit n energie electric, folosind treitipuri de traductoare electromecanice: electromagnetice [1],electrostatic [1], i piezoelectric [2-16]. Piezoelectricvibraii-la-de energie electric convertoare au ridicat electromecaniccuplare, necesit nici o surs de tensiune extern i suntdeosebit de atractive pentru a fi utilizate n MEMS n special pentrunod preferat volum fr fir senzor [11]. Glynne-Jonesi colab. [9,10] i Shu i Lein [11] a oferit o abordare aproiectare, modelul i optimizarea eficienei de transformare agenerator de vibraii. Jeon a dezvoltat un piezoelectric film subiregenerator de energie pe baza MEMS utiliza D33Modul. Frecventa sa operaie de rezonan este la 13.7 kHz [12].Roundy a raportat un fel de prototip de mici, piezoelectriccantilever (9-25mm lungime), cu o mas relativ greula captul liber, care poate genera 375mW de la unsurs de vibraii de 2,5 m / s2 la 120 Hz. Amploareadispozitiv, cu toate acestea, este mai mare dect cea a majoritii dispozitivelor MEMS[13]. DUTOIT i colab. [14] a propus un prototip de cel mai jos nivelMEMS nconjurtor agricole. Un alt MEMS bazate peArticolul n preswww.elsevier.com/locate/mejo0026-2692 / $generator de energie piezoelectric conceput pentru a recolta sczutFrecventa energie vibraie prin adugarea de nichel mas dovadbazat pe tehnologia UV - LIGA [ 15,16 ] .Pn n prezent , productorii de energie MEMS dezvoltate suntfeatured cu frecven fix sau ngust de operare iputere n nivel microwatt , n timp ce frecvena devibraie nconjurtor plutete n unele gam , i microwatteste insuficient pentru a actualei puteri nod senzor . n aceast lucrare ,o matrice generator de putere bazat pe piezoelectric strat grosconsole este cercetat pentru a mbunti puterea iflexibilitate frecven . De asemenea , din moment ce mai multe surse dinvibraii nconjurtor sunt nfrecven joas ( o1000 Hz ) ,consolelor sunt proiectate de lucru n frecven joasgam .2. Structura de proiectare i fabricare prototipConfiguraie faz Cantilever este ales pentru simplitatea ei,compatibilitate cu procesele de fabricaie MEMS,i rigiditate structural sczut. Configuraia fascicul este ostructur format dintr-un cadru de baz de siliciu, un singurelement piezoelectric (strat intercalat ntre o pereche dedin metal (Pt / Ti) electrozi), precum i o mas de metal dovad n liberscop, aa cum este ilustrat n Fig. 1.Dispozitivul tip consola funcioneaz dup cum urmeaz. Cnd de bazcadru a dispozitivului este vibrat de baz mediu,for de intrare simultan fluxuri n aceast a doua comandasistem mecanic, apoi unele pri ale consolei vamuta relativ la cadrul de baz. Aceast deplasare relativface ca materialul piezoelectric n sistem pentru a fitensionate sau comprimat, care, la rndul su induce schimbare de ncrcarei acumulare datorit efectului piezoelectric. Amploareatensiunea de incarcare electrica este proporional cu stresulindus de deplasarea relativ.Este bine cunoscut faptul c vibraie de rezonan poate amplificadeplasare relativ remarcabil. Astfel, micro generatoarerezoneze mecanic la o frecven avibraii nconjurtor poate genera energie electric maxim.Frecven natural de structur este aproximativ dat ca$ pffikffiffi = ffiffiffimffiffiffi de rigiditate sale (k) i mas (m). Aceasta indicc diferite dimensiuni structura a consolei poatereglementa frecvena natural a generatorului de energie.Un dispozitiv generator de putere unic n consol [10] relevperformana de tensiunea de ieire n diferite excitatfrecven n Fig. 2. Acesta arat c tensiunea de ieire scadedramatic atunci cnd frecvena excitat se abate de laPunct de rezonan. Pentru a localiza n gama de X1 = ffi2ffiffipmaximtensiunea de ieire, limea de band disponibil este doar n72-3 Hz. ngust limea de band disponibil a dispozitivuluiextrem limiteaz aplicarea sa practic n nconjurtorvibraii.n multe circumstane, frecvena de conducere va ficunoscut nainte ca dispozitivul este proiectat i fabricat. nalte situaii, totui, aceast frecven nu va fi cunoscuto prealabil, sau poate modifica n timp. De asemenea, este relevant pentruia n considerare fabricarea n mas a unor astfel de dispozitive. Deci, ar fin mod clar avantajos pentru a crea un dispozitiv care poate funciona n mod eficient ntr-un interval de frecvene de vibraie .

Roundy i colab . [ 13 ] dezvoltat dou soluii pentru tonfrecvena de rezonan de faz . Una este de a aplica un axialpreload de set- uruburi sau alte dispozitive care mpingeCleme la fiecare capt al grinzii , care controleaz n mod pasivrigiditatea ( k) a fasciculului de a regla punctul rezonan sale .A doua metod de tuning activ este de a proiecta dispozitiv cu unlime de band mai larg , care se conecteaz N primvar - mass- amortizorSistemele intr-un singur consol lung .Cele dou soluii sunt eficiente pentru a aborda rezonanproblema frecventa , dar ele nu sunt disponibile n MEMSfabricatie , datorit structurii sale complicate relativ .Efectul suprapunere de frecvena de rezonan esteintrodus n design-ul nostru . O matrice MEMS cu multicantileverseste proiectat cu comportare sale n consol unicfrecven de rezonan mai aproape unul dup altul . fiecareconsol este un arc sistem mas - amortizor cu un grad de libertate. Cnd console cu rezonan mai aproapeFrecventa conectate mpreun ca o matrice, disponibilelime de band va acoperi gama de minim la maximValoarea rezonan a consolelor din matrice. Pe de alt partemn, tehnologia MEMS fabricatie asigur avantajulde producie n mas de console cu diverseParametrii structura intr-un tablou.Tehnicile de micro fabricare utilizate aici n principalimplica filme funcional de pregtire i de model, n vracmicroprelucrare siliciu, eliberare structura i asamblare mas[15,16]. n primul rnd, console cu rezonan mai aproapefrecven sunt proiectate cu parametrul structur adecvat.Nivelul centrului de frecven de rezonan este determinat denivelul frecvena vibraiilor int. i structuraParametrii pot fi selectate prin simulare modal maturcum ar fi utilizarea de software ANSYS. Pe baza designuluipentru structura parametrii de selecie i console de distribuien matrice, aspect masca pentru MEMS fabricatie poate fipregtit. Detalii procesului de fabricare se poate referi laRef. [16,17]. Dei Ref. [15,16] o introduce numaisingur consol, procesul de console-matrice este similarcu Ref. [15,16]. Smochin. 3 ilustreaz procesul de fabricare.O matrice generator de putere si voi-up este prezentat n Fig. 4.dimensiune a consolelor este de 12 mm grosime a stratului de siliciu,3,2 mm grosime a stratului PZT, lungimea i limea sunt nGama de respectiv 2000-3500 i 750-1000 mm. ifrecven natural este n 200-400 gama Hz.3. Testare si analizaMsurarea vibraiilor - electricitate este executat cugeneratorul de energie fabricate n picioare ntr-un controlabilsurs de vibraii ( frecvena de vibraie este reglabil iacceleraia vibraiei este de 0,5 g) . Plcuele metalice pe partea de susi electrozi de jos sunt conectate la sarcina ( rezistor )prin- plumb jos , folosind osciloscop pentru a monitoriza inregistreaz semnalul de tensiune de sarcin . Smochin. 5 prezint schematicconfiguraie de metode de testare i msurtori pentrufiecare singur cantilever.Sunt luate trei console (C1, C2, i C3), ca un tablouca prob de msurare n testarea i analiza.informaii legate de este listat n tabelul 1. limea de bandacoper 226-234 Hz, ceea ce indic consolelormatrice are lime de band mai larg dect cea a unic consol.Performanele respective sunt msurate, inclusivfrecven naturale, tensiunea de ieire, proprietate rectificarei taxa de condensator. Smochin. 6 ilustreaz performanacantilever C1.Ca un tablou, aceste trei console sunt electricconectat. Cnd acestea sunt conectate direct, ACenergie electric din diferite console pot fi contracarateca ei au diferite faze. Smochin. 7 prezint matriceexcitat sub frecventa de 229 Hz, iar ieirea de curent alternativtensiuni de fiecare consol sunt 2.01V (C1), 1.64V (C2) i1.606V (C3), respectiv. Tensiunea de ieire AC dupconexiune serial direct este de aproximativ 3,06 V, care este mult mai puindect valoarea de 2,01 + 1,64 + 1.606 5.256 V. Dup cum se aratn Fig. 7, exist o diferen de faz de aproape 1201ntre C2 i C1. Diferena de faz afecteazaacumulare electric de trei console. i DCde tensiune pe condensator dup rectificare este doar 2,51 V,i maxim puterea de curent continuu este de aproximativ 3,15 mW.O abordare a acestei probleme este furnizat den urma. Un tensiunea de ieire DC pot fi atinse prinrectificare o tensiune de ieire de ca de fiecare consol, iDC Terminal de ieire sunt conectate n serie laobine o tensiune mai mare , la fel ca i conexiune de ordine albaterii . Tensiunea de ieire din diferite consolenu poate fi contracarat . Smochin. 8 prezint conexiunea serialmetod .Dupa AC-DC rectificare i conexiune serial de toateconsole mpreun ,tensiune DC merge pn la 3.93V imaxim puterea de curent continuu este de aproximativ 3,98 mW .Dei circuitul rectificare consum ceva electricenergie , nc profit raport cu directeConexiune sub semnal de curent alternativ .Pe de alt parte , consolelor n matrice conectatdup AC-DC rectificare arat lime de band mai mare dect ceade o singur . Se pare csuprapunere / acumulareaefect este eficient pentru a extinde lime de band de generator de curent

4. ConcluziePe scurt , un generator matrice de micro - putere a fostinvestigat prin utilizarea filmului PZT ca traductorul srecoltare nconjurtor vibraii de nivel sczut . Acesta este fabricatcu succes prin procesul MEMS . Generatorul prototipare o performan msurat de 3,98 mW de efectiveenergie electric i 3,93 tensiunea de ieire DC .Rezultatele experimentale arat c dispozitivul este mbrcatpromitoare n mbuntirea lime de band de funcionare i putereieire de generator de energie . Este indicat ca un potenialn dezvoltarea generatorul de energie ntlnete aplicaiin / reele wireless de senzori integrate .MulumiriAcest lucru este sprijinit de Honeywell companie .autori , de asemenea, ar dori s-i mulumesc profesorului Jinrong Chengde Universitatea din Shanghai pentru PZT pregtire materiale de film .