MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计*

贺 婷,杨 杰,孔龄婕,陈晓勇,陈东红,燕 乐,丑修建

(中北大学电子测试技术国防重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)



MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计*

贺 婷,杨 杰,孔龄婕,陈晓勇,陈东红,燕 乐,丑修建*

(中北大学电子测试技术国防重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

在单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,提出了一种MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件。该微能源由八悬臂梁-中心质量块结构和永磁铁两部分组成,环境振动使中心质量块振动,PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差;同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势,将压电转换与磁电转换相结合把振动能转换为电能。建立了该结构的数学模型并用有限分析软件Ansys12.0对该器件进行力学特性分析,最后对加工出的微能源进行性能测试。测试结果表明,该微能源谐振频率为8 Hz,易与环境发生共振;在共振条件下,施加1gn的加速度,器件压电发电开路输出电压峰峰值达154 mV,磁电发电开路输出电压峰-峰值达8 mV,有望为无线传感网络节点提供稳定的能源。

振动能量采集;压电/磁电效应;MEMS;微能源;ANSYS

目前,环境振动驱动微能源以其重量轻,体积小,能量密度高,较强的环境适应性等特点广泛应用在微电子、置入性传感器、无线射频识别和无线传感网络等领域。

各国研究者提出的对振动能量拾取技术的研究主要包括[1-4]:电磁式、静电式、压电式、磁致伸缩式能量拾取技术4种。其中,电磁式振动驱动微能源的工作原理是基于法拉第电磁感应定律,Miki S等制作的MEMS振动阵列式电磁能量采集器[5],质量块振幅为24 μm时输出功率为0.76 μW,输出功率大但磁体和线圈制作尺寸受限制,难于驱动外围电路,应用在MEMS中存在较大问题;静电式振动能量拾取器件基于可变电容,利用环境振动改变极板电容大小进而把振动能转变为电能,德国弗莱堡大学[6]研制的静电式振动微能源器件,在外接电源25 V,频率1 740 Hz,加速度1gn的振动条件下输出功率为5 μW,但该发电机工作时需外接电源,难以应用于便携式或植入式系统;Jambunathan等人[7]设计的PZT薄膜MEMS振动能量采集器是压电式振动驱动微能源的一种,在0.93 g、615 Hz激励下输出功率为51.3 μW,但该类器件的性能依赖于压电材料的压电和机械性能;磁致伸缩式能量采集器利用的是磁致伸缩材料的Villari效应(磁致伸缩效应的逆效应),美国北卡罗来纳州立大学的Wang等人[8]采用非结晶金属玻璃Metglas 2605SC磁致伸缩材料制备振动能量采集器,在频率为1.1 kHz的振动下输出功率密度为606 μW/cm3,但这种微能源能量转换方式复杂,难以与MEMS技术集成。单一效应的MEMS振动能量拾取器件存在输出能量密度及转换效率较低,谐振频率较高等缺点[9-10]。在研究单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,我们设计了基于八悬臂梁-中心质量块结构的MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源器件。该器件谐振频率低,易与环境发生共振,提高了器件的输出能量密度和总能量输出,有望为嵌入式系统和无线传感网络节点提高稳定、持续的电能。

图1 整体结构示意图

1 结构设计

设计出的MEMS八悬臂梁式压电-磁电复合振动驱动微能源结构包括3个部分:八悬臂梁-中心质量块结构、永磁铁和基座。PZT压电薄膜层异质集成在悬臂梁上以实现压电发电;在中心质量块上制备高密度的感应线圈,将基础结构与永磁体二次集成,感应线圈通过切割磁感线实现磁电发电,从而压电发电与磁电发电相结合,完成复合能量输出连结。复合式微能源结构采用MEMS工艺加工而成,整体结构如图1所示。

MEMS八悬臂梁式压电-磁电复合振动驱动微能源器件将压电转换与磁电转换相结合。当环境振动驱动八悬臂梁-中心质量块结构振动,中心质量块带动悬臂梁振动,悬臂梁上的PZT压电薄膜受外力作用发生机械形变,导致压电薄膜层的两端表面出现异号极化电荷即产生电势差;同时,中心质量块带动其上的感应线圈振动,线圈切割磁感线引起磁通量改变,从而产生感应电动势。通过联合压电发电与磁电发电,综合两种发电的优点,该器件的输出电压和输出电流较大,提高了系统的能量输出,更易产生高密度的电能量。

2 数学模型

2.1 力学特性分析

基于八悬臂梁-中心质量块结构的MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件可以将环境中的振动能转换成电能,用弹簧(弹性系数为k)、质量块(质量为m)和阻尼器(阻尼系数是c)构成“弹簧-质量块-阻尼”模型对该器件进行描述[11],系统的物理动力学模型如图2所示。

图2 振动物理模型

该振动系统的数学表达式表示为:

Z为基底振动最大振幅;t为时间;ω为振动圆周率。

2.1.1 压电发电力学特性

我们设计的是基于d31压电模式的压电结构,在PZT材料3方向上所产生的电压V为:

d31是横向压电系数,mPZT是压电材料的质量,φ是相位差。ε是PZT的介电常数,b是PZT压电薄膜层的宽。

2.1.2 磁电发电力学特性

MEMS器件磁电部分的工作原理是法拉第电磁感应定律,如图3所示,磁通量发生变化,则回路中产生感应电动势。

感应线圈产生的感应电动势为:

U=Blv

式中B是磁通量,l为感应线圈的长度,v为永磁铁与感应线圈运动的相对速度。

本文设计的基于压电-磁电复合振动能量拾取MEMS器件是将压电效应产生的电压和电磁感应产生的电压串联以增大输出电压的。

图3 感应电动势模型图

2.2 频率特性分析

微器件设计时,在MEMS技术允许的条件下,传感器的尺寸设计的尽可能小,但必须保证传感器有高的频率特性、灵敏度和线性度。为了实现这一目标,本文对八悬臂梁-中心质量块结构进行了力学方面的理论计算,依据灵敏度—固有频率的最优值来确定传感器的结构尺寸[12]。

八悬臂梁-中心质量块结构的固有频率为:

梁端部所受到的最大应力为:

最大应变为:

其中,f是固有频率,k是刚度,m是系统的质量,a是加速度,l是梁长,h是梁的厚度,h1是PZT的厚度,E是弹性系数。

3 有限元仿真

采用Ansys有限元分析软件12.0对上述结构进行仿真。首先,建立微器件的有限元模型,然后分别对结构进行静力分析、模态分析和谐相应分析。

3.1 静力分析

通过静力分析得到微器件悬臂梁上最大应力从而选择线性区域的位置作为PZT压电薄膜的排布位置。静力分析加载荷求解过程:对结构边T界施加约束条件,使结构四周固定,在质量块中心Z轴方向施加6 gn的加速度,进入SOLUTION进行求解分析,进入POST1后处理查看结构的静态位移、应力在梁上的分布情况。

压电-磁电复合微能源“八悬臂梁-中心质量块”结构的初步设计尺寸如表1所示,结构的静态位移图、应力分布图如图4、图5所示。

表1 微能源的结构尺寸 单位:μm

根据表1及2数学模型中表述的公式计算得梁上最大位移的理论值为6.68μm,最大应力的理论值为15.81MPa,固有频率为15Hz。从图4和图5可见每根悬臂梁的应力分布、位移分布均相同,梁上的最大位移为6.49μm,最大应力为15.6MPa,与理论值基本相符。

图4 静态位移分布图

图5 静态应力分布图

从图中可以看出,梁的两个固定端应力最大,且大小关于中心位置对称,但方向相反。当施加振动载荷时,如图6(a)、6(b)和6(b)、6(c)之间的作用力相反,分别是拉应力和压应力,使薄膜上电荷分布相反,因此该器件采取共用底电极,上电极断开的方式,实现压电敏感单元串联,增大输出电压。设计的能量拾取器件将16个PZT敏感单元串联,增大了能量输出密度。

图6 单悬臂梁变形图及应力曲线图

3.2 模态分析

通过模态分析得到所设计的八悬臂梁-中心质量块结构的固有频率,在后续的测试中,结构处于谐振频率点,振动幅值最大,得到最大输出电压。

八悬臂梁-中心质量块结构的模态分析图如图7所示。前6阶的振动频率值如表2所示。其中,1阶振动频率为固有频率。由表2可知:结构的一阶振动模态值与其他阶振动模态值相差很大,交叉耦合机率小,避免干扰现象,保证结构只在其敏感方向上(Z方向)运动。

图7 一阶模态分析图

表2 前六阶模态频率值

3.3 谐响应分析

谐响应分析能预知结构的动态特性从而对结构进行优化。谐响应分析曲线图(图8)反映的是频率与x、y、z方向上的应力和最大应力之间的关系,可以看出在频率为18Hz处应力出现峰值,即18Hz为该结构的固有频率,与仿真分析的一阶固有频率(15Hz)基本接近,并且与理论计算值(§3.1中提及)也相一致。

图8 频率响应图

4 测试结果

制作出的基于八悬臂梁-中心质量块的压电-磁电复合振动驱动微能源器件如图9所示,该器件性能测试系统主要由数字示波器、数字式电动振动实验系统、空气压缩机、智能开关功率放大器、振动控制器以及EliteII组成,测试系统结构框图如图10所示,性能测试系统实物图见图11。

图11 微能源性能测试系统实物图

图9 微能源结构图

图10 测试系统结构框图

将基于八悬臂梁-中心质量块压电-磁电复合振动驱动微能源器件固定在振动台上,通过标准传感器产生反馈信号控制振动台以恒定加速度进行振动。首先进行扫频,将振动台的振动加速度设置为1 gn,频率测量范围为5Hz～1 000Hz,测量其频响曲线,图12为微能源器件的电压输出曲线,可以看出由于工艺等原因,微器件最大输出电压的谐振频率为8Hz。后期我们将通过打薄质量块等方法提高器件的谐振频率。

图12 加速度为1 gn,扫频范围为5 Hz～1 000 Hz下器件输出电压

然后将16个压电敏感单元串联,通过定频的方法对微器件进行测量。振动加速度设置为1 gn,频率设置为8Hz时,测得该器件的压电端输出电压Up-p为154mV(图13),磁电端输出电压Up-p为8mV(图14)。

图13 8 Hz/6 gn,器件压电发电输出电压

图14 8 Hz/6 gn,器件磁电发电输出电压

5 结束语

在单一效应的振动能量拾取器件的基础上,基于压电效应、磁电效应设计了一种八悬臂梁-中心质量块的压电-磁电复合振动驱动微能源器件。通过理论计算和Ansys仿真分析,对微能源器件进行结构设计并对制作出的微器件进行了初步性能测试。测试结果表明,该微能源器件具有可行性,工艺友好兼容、器件小型化,具有输出功率大、能量存储密度高等特点,有望解决无线传感网络等应用系统的自供电问题,具有重要的现实意义和科学价值。

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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

贺 婷(1989-),女,山西太原人,在读硕士研究生,主要研究方向为微纳传感与执行器件;

丑修建(1979-),男,湖北咸宁人,教授,硕士生导师,主要研究方向是电子信息功能材料和微纳器件与系统,chouxiujian@nuc.edu.cn。

项目来源:国家自然科学基金杰出青年基金项目(No.51225504);国家863计划(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