賀 婷,楊 杰,孔齡婕,陳曉勇,陳東紅,燕 樂,丑修建

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防重點實驗室,儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

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MEMS壓電-磁電復(fù)合式振動驅(qū)動微能源的設(shè)計*

賀 婷,楊 杰,孔齡婕,陳曉勇,陳東紅,燕 樂,丑修建*

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防重點實驗室,儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

在單一效應(yīng)的MEMS振動驅(qū)動微能源的基礎(chǔ)上,提出了一種MEMS壓電-磁電復(fù)合振動驅(qū)動微能源器件。該微能源由八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)和永磁鐵兩部分組成,環(huán)境振動使中心質(zhì)量塊振動,PZT壓電敏感單元由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生電勢差;同時中心質(zhì)量塊上集成的高密度線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,將壓電轉(zhuǎn)換與磁電轉(zhuǎn)換相結(jié)合把振動能轉(zhuǎn)換為電能。建立了該結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型并用有限分析軟件Ansys12.0對該器件進行力學(xué)特性分析,最后對加工出的微能源進行性能測試。測試結(jié)果表明,該微能源諧振頻率為8 Hz,易與環(huán)境發(fā)生共振;在共振條件下,施加1gn的加速度,器件壓電發(fā)電開路輸出電壓峰峰值達154 mV,磁電發(fā)電開路輸出電壓峰-峰值達8 mV,有望為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供穩(wěn)定的能源。

振動能量采集;壓電/磁電效應(yīng);MEMS;微能源;ANSYS

目前,環(huán)境振動驅(qū)動微能源以其重量輕,體積小,能量密度高,較強的環(huán)境適應(yīng)性等特點廣泛應(yīng)用在微電子、置入性傳感器、無線射頻識別和無線傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

各國研究者提出的對振動能量拾取技術(shù)的研究主要包括[1-4]:電磁式、靜電式、壓電式、磁致伸縮式能量拾取技術(shù)4種。其中,電磁式振動驅(qū)動微能源的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律,Miki S等制作的MEMS振動陣列式電磁能量采集器[5],質(zhì)量塊振幅為24 μm時輸出功率為0.76 μW,輸出功率大但磁體和線圈制作尺寸受限制,難于驅(qū)動外圍電路,應(yīng)用在MEMS中存在較大問題;靜電式振動能量拾取器件基于可變電容,利用環(huán)境振動改變極板電容大小進而把振動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?德國弗萊堡大學(xué)[6]研制的靜電式振動微能源器件,在外接電源25 V,頻率1 740 Hz,加速度1gn的振動條件下輸出功率為5 μW,但該發(fā)電機工作時需外接電源,難以應(yīng)用于便攜式或植入式系統(tǒng);Jambunathan等人[7]設(shè)計的PZT薄膜MEMS振動能量采集器是壓電式振動驅(qū)動微能源的一種,在0.93 g、615 Hz激勵下輸出功率為51.3 μW,但該類器件的性能依賴于壓電材料的壓電和機械性能;磁致伸縮式能量采集器利用的是磁致伸縮材料的Villari效應(yīng)(磁致伸縮效應(yīng)的逆效應(yīng)),美國北卡羅來納州立大學(xué)的Wang等人[8]采用非結(jié)晶金屬玻璃Metglas 2605SC磁致伸縮材料制備振動能量采集器,在頻率為1.1 kHz的振動下輸出功率密度為606 μW/cm3,但這種微能源能量轉(zhuǎn)換方式復(fù)雜,難以與MEMS技術(shù)集成。單一效應(yīng)的MEMS振動能量拾取器件存在輸出能量密度及轉(zhuǎn)換效率較低,諧振頻率較高等缺點[9-10]。在研究單一效應(yīng)的MEMS振動驅(qū)動微能源的基礎(chǔ)上,我們設(shè)計了基于八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的MEMS壓電-磁電復(fù)合式振動驅(qū)動微能源器件。該器件諧振頻率低,易與環(huán)境發(fā)生共振,提高了器件的輸出能量密度和總能量輸出,有望為嵌入式系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提高穩(wěn)定、持續(xù)的電能。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計出的MEMS八懸臂梁式壓電-磁電復(fù)合振動驅(qū)動微能源結(jié)構(gòu)包括3個部分:八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)、永磁鐵和基座。PZT壓電薄膜層異質(zhì)集成在懸臂梁上以實現(xiàn)壓電發(fā)電;在中心質(zhì)量塊上制備高密度的感應(yīng)線圈,將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與永磁體二次集成,感應(yīng)線圈通過切割磁感線實現(xiàn)磁電發(fā)電,從而壓電發(fā)電與磁電發(fā)電相結(jié)合,完成復(fù)合能量輸出連結(jié)。復(fù)合式微能源結(jié)構(gòu)采用MEMS工藝加工而成,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

MEMS八懸臂梁式壓電-磁電復(fù)合振動驅(qū)動微能源器件將壓電轉(zhuǎn)換與磁電轉(zhuǎn)換相結(jié)合。當(dāng)環(huán)境振動驅(qū)動八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)振動,中心質(zhì)量塊帶動懸臂梁振動,懸臂梁上的PZT壓電薄膜受外力作用發(fā)生機械形變,導(dǎo)致壓電薄膜層的兩端表面出現(xiàn)異號極化電荷即產(chǎn)生電勢差;同時,中心質(zhì)量塊帶動其上的感應(yīng)線圈振動,線圈切割磁感線引起磁通量改變,從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。通過聯(lián)合壓電發(fā)電與磁電發(fā)電,綜合兩種發(fā)電的優(yōu)點,該器件的輸出電壓和輸出電流較大,提高了系統(tǒng)的能量輸出,更易產(chǎn)生高密度的電能量。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 力學(xué)特性分析

基于八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的MEMS壓電-磁電復(fù)合振動驅(qū)動微能源器件可以將環(huán)境中的振動能轉(zhuǎn)換成電能,用彈簧(彈性系數(shù)為k)、質(zhì)量塊(質(zhì)量為m)和阻尼器(阻尼系數(shù)是c)構(gòu)成“彈簧-質(zhì)量塊-阻尼”模型對該器件進行描述[11],系統(tǒng)的物理動力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 振動物理模型

該振動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達式表示為:

Z為基底振動最大振幅;t為時間;ω為振動圓周率。

2.1.1 壓電發(fā)電力學(xué)特性

我們設(shè)計的是基于d31壓電模式的壓電結(jié)構(gòu),在PZT材料3方向上所產(chǎn)生的電壓V為:

d31是橫向壓電系數(shù),mPZT是壓電材料的質(zhì)量,φ是相位差。ε是PZT的介電常數(shù),b是PZT壓電薄膜層的寬。

2.1.2 磁電發(fā)電力學(xué)特性

MEMS器件磁電部分的工作原理是法拉第電磁感應(yīng)定律,如圖3所示,磁通量發(fā)生變化,則回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為:

U=Blv

式中B是磁通量,l為感應(yīng)線圈的長度,v為永磁鐵與感應(yīng)線圈運動的相對速度。

本文設(shè)計的基于壓電-磁電復(fù)合振動能量拾取MEMS器件是將壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓和電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電壓串聯(lián)以增大輸出電壓的。

圖3 感應(yīng)電動勢模型圖

2.2 頻率特性分析

微器件設(shè)計時,在MEMS技術(shù)允許的條件下,傳感器的尺寸設(shè)計的盡可能小,但必須保證傳感器有高的頻率特性、靈敏度和線性度。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),本文對八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)進行了力學(xué)方面的理論計算,依據(jù)靈敏度—固有頻率的最優(yōu)值來確定傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸[12]。

八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的固有頻率為:

梁端部所受到的最大應(yīng)力為:

最大應(yīng)變?yōu)?

其中,f是固有頻率,k是剛度,m是系統(tǒng)的質(zhì)量,a是加速度,l是梁長,h是梁的厚度,h1是PZT的厚度,E是彈性系數(shù)。

3 有限元仿真

采用Ansys有限元分析軟件12.0對上述結(jié)構(gòu)進行仿真。首先,建立微器件的有限元模型,然后分別對結(jié)構(gòu)進行靜力分析、模態(tài)分析和諧相應(yīng)分析。

3.1 靜力分析

通過靜力分析得到微器件懸臂梁上最大應(yīng)力從而選擇線性區(qū)域的位置作為PZT壓電薄膜的排布位置。靜力分析加載荷求解過程:對結(jié)構(gòu)邊T界施加約束條件,使結(jié)構(gòu)四周固定,在質(zhì)量塊中心Z軸方向施加6 gn的加速度,進入SOLUTION進行求解分析,進入POST1后處理查看結(jié)構(gòu)的靜態(tài)位移、應(yīng)力在梁上的分布情況。

壓電-磁電復(fù)合微能源“八懸臂梁-中心質(zhì)量塊”結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計尺寸如表1所示,結(jié)構(gòu)的靜態(tài)位移圖、應(yīng)力分布圖如圖4、圖5所示。

表1 微能源的結(jié)構(gòu)尺寸 單位:μm

根據(jù)表1及2數(shù)學(xué)模型中表述的公式計算得梁上最大位移的理論值為6.68μm,最大應(yīng)力的理論值為15.81MPa,固有頻率為15Hz。從圖4和圖5可見每根懸臂梁的應(yīng)力分布、位移分布均相同,梁上的最大位移為6.49μm,最大應(yīng)力為15.6MPa,與理論值基本相符。

圖4 靜態(tài)位移分布圖

圖5 靜態(tài)應(yīng)力分布圖

從圖中可以看出,梁的兩個固定端應(yīng)力最大,且大小關(guān)于中心位置對稱,但方向相反。當(dāng)施加振動載荷時,如圖6(a)、6(b)和6(b)、6(c)之間的作用力相反,分別是拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,使薄膜上電荷分布相反,因此該器件采取共用底電極,上電極斷開的方式,實現(xiàn)壓電敏感單元串聯(lián),增大輸出電壓。設(shè)計的能量拾取器件將16個PZT敏感單元串聯(lián),增大了能量輸出密度。

圖6 單懸臂梁變形圖及應(yīng)力曲線圖

3.2 模態(tài)分析

通過模態(tài)分析得到所設(shè)計的八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的固有頻率,在后續(xù)的測試中,結(jié)構(gòu)處于諧振頻率點,振動幅值最大,得到最大輸出電壓。

八懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析圖如圖7所示。前6階的振動頻率值如表2所示。其中,1階振動頻率為固有頻率。由表2可知:結(jié)構(gòu)的一階振動模態(tài)值與其他階振動模態(tài)值相差很大,交叉耦合機率小,避免干擾現(xiàn)象,保證結(jié)構(gòu)只在其敏感方向上(Z方向)運動。

圖7 一階模態(tài)分析圖

表2 前六階模態(tài)頻率值

3.3 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析能預(yù)知結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性從而對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。諧響應(yīng)分析曲線圖(圖8)反映的是頻率與x、y、z方向上的應(yīng)力和最大應(yīng)力之間的關(guān)系,可以看出在頻率為18Hz處應(yīng)力出現(xiàn)峰值,即18Hz為該結(jié)構(gòu)的固有頻率,與仿真分析的一階固有頻率(15Hz)基本接近,并且與理論計算值(§3.1中提及)也相一致。

圖8 頻率響應(yīng)圖

4 測試結(jié)果

制作出的基于八懸臂梁-中心質(zhì)量塊的壓電-磁電復(fù)合振動驅(qū)動微能源器件如圖9所示,該器件性能測試系統(tǒng)主要由數(shù)字示波器、數(shù)字式電動振動實驗系統(tǒng)、空氣壓縮機、智能開關(guān)功率放大器、振動控制器以及EliteII組成,測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示,性能測試系統(tǒng)實物圖見圖11。

圖11 微能源性能測試系統(tǒng)實物圖

圖9 微能源結(jié)構(gòu)圖

圖10 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

將基于八懸臂梁-中心質(zhì)量塊壓電-磁電復(fù)合振動驅(qū)動微能源器件固定在振動臺上,通過標(biāo)準(zhǔn)傳感器產(chǎn)生反饋信號控制振動臺以恒定加速度進行振動。首先進行掃頻,將振動臺的振動加速度設(shè)置為1 gn,頻率測量范圍為5Hz～1 000Hz,測量其頻響曲線,圖12為微能源器件的電壓輸出曲線,可以看出由于工藝等原因,微器件最大輸出電壓的諧振頻率為8Hz。后期我們將通過打薄質(zhì)量塊等方法提高器件的諧振頻率。

圖12 加速度為1 gn,掃頻范圍為5 Hz～1 000 Hz下器件輸出電壓

然后將16個壓電敏感單元串聯(lián),通過定頻的方法對微器件進行測量。振動加速度設(shè)置為1 gn,頻率設(shè)置為8Hz時,測得該器件的壓電端輸出電壓Up-p為154mV(圖13),磁電端輸出電壓Up-p為8mV(圖14)。

圖13 8 Hz/6 gn,器件壓電發(fā)電輸出電壓

圖14 8 Hz/6 gn,器件磁電發(fā)電輸出電壓

5 結(jié)束語

在單一效應(yīng)的振動能量拾取器件的基礎(chǔ)上,基于壓電效應(yīng)、磁電效應(yīng)設(shè)計了一種八懸臂梁-中心質(zhì)量塊的壓電-磁電復(fù)合振動驅(qū)動微能源器件。通過理論計算和Ansys仿真分析,對微能源器件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計并對制作出的微器件進行了初步性能測試。測試結(jié)果表明,該微能源器件具有可行性,工藝友好兼容、器件小型化,具有輸出功率大、能量存儲密度高等特點,有望解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用系統(tǒng)的自供電問題,具有重要的現(xiàn)實意義和科學(xué)價值。

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Design of MEMS Piezoelectric and Electromagnetic Hybrid Vibrational Micro-Power Harvesting Devices*

HETing,YANGJie,KONGLingjie,CHENXiaoyong,CHENDonghong,YANLe,CHOUXiujian*

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,North University of China,Ministry of Education,Taiyuan 030051,China)

A MEMS piezoelectric and electromagnetic hybrid vibrational micro-power harvesting devices was proposed based on the single effect of MEMS micro-power. The sensor consists of eight cantilever beams-center quality block structure and permanent magnet. Though the environment vibration,PZT piezoelectric units produce voltage by external force due to piezoelectric effect;at the same time,high-density coil which is integrated on center mass,cutting line magnetic induction voltage is induced. We can integrate the two energy conversions of piezoelectric and electromagnetic power generation which improves the overall output voltage of device. The calibration method and finite element method for the accelerometer was proposed. Finally,the experimental results were presented. The experimental results show that the resonant frequency of the micro-power device is 8Hz,which is easy to reach to environmental vibration resonance. Open circuit output peak-peak voltage of the piezoelectric part is 154 mV and open circuit output peak-peak voltage of the electromagnetic part is 8 mV under the acceleration of 1gnand freguency of 8 Hz. And it is expected to sloving the power supply problem of wireless sensor network nodes.

vibrational power harvesting;piezoelectric/electromagnetic effect;MEMS;micro-power;ANSYS

賀 婷(1989-),女,山西太原人,在讀碩士研究生,主要研究方向為微納傳感與執(zhí)行器件;

丑修建(1979-),男,湖北咸寧人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向是電子信息功能材料和微納器件與系統(tǒng),chouxiujian@nuc.edu.cn。

項目來源:國家自然科學(xué)基金杰出青年基金項目(No.51225504);國家863計劃(SQ2015AAJY1634)

2014-11-05 修改日期:2015-01-04

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.008

TN384

A

1004-1699(2015)03-0342-05