ساخت و کارایی ژنراتور قدرت پیزوالکتریک مبتنی بر mems برای برداشت انرژی ارتعاش Fabrication and performance of MEMS-based piezoelectric power generator for vibration energy harvesting
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : الزویر Elsevier
- چاپ و سال / کشور: 2006
توضیحات
چاپ شده در مجله مجله میکروالکترونیک – Microelectronics Journal
رشته های مرتبط مهندسی برق، مهندسی مکانیک، مهندسی الکترونیک، سیستم های قدرت، ساخت و تولید، تبدیل انرژی و مکاترونیک
۱٫ مقدمه : به تازگی، دستگاه های الکترونیکی مستقل یا جاسازی شده مانند برچسب های RFID و حسگرهای کنترل راه دور بسیار جذاب تر شده اند برای دستگاه هایی که به بالاترین سطح پتانسیل خود می رسند.اگرچه راه حل های عملی باید برای توسعه تأمین انرژی خود به خودی این واحد مستقل ایجاد شوند. چنین واحدهایی به مقدار کمی از منبع انرژی نیاز دارند و کوچک سازی آنها و کم کردن توان مصرفی انها ادامه خواهد یافت.به آنها اغلب با باتری های معمولی در حال حاضر توان داده می شود. با این حال، باتری ها معایبی دارند: هم به تعویض و یا شارژ دوره ای نیاز دارند و اندازه بزرگ و وزن زیادی در مقایسه با دستگاه های میکرو الکترونیک دارند. برای شکستن محدودیت باتری ها، برداشت انرژی از ارتعاش همه جای محیط زیست توسط تکنولوژی سیستم های میکرو مکانیکی و الکترونیکی (MEMS) یکی از راه های امیدوار کننده است. ارتعاش می تواند با استفاده از سه نوع از مبدل های الکترومکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل شود: الکترومغناطیسی [۳-۱]، الکترواستاتیک [۶-۴]، و پیزوالکتریک [۱۰-۷]. موثرترین نوع ژنراتور تاحدی به شرایط عملیاتی مورد نظر بستگی دارد. به طور کلی، ژنراتورهای پیزوالکتریک تبدیل انرژی بالاتری را نشان می دهند [۹]. علاوه بر این، سادگی آن ها به خصوص برای استفاده در MEMS جذاب است.چند نمونه از این میکرو ژنراتورها گزارش شده اند [۱۰-۱] و مطالعات نسبتا کمی به خصوص مطالعات تجربی بر روی ژنراتورهای قدرت پیزوالکتریک وجود دارد[۱۰-۷]. Glynne جونز و همکاران [۸-۷] رویکردی برای طراحی و مدل سازی ارتعاش ژنراتور ارائه دادند، که در آن بدنه ژنراتور پیزوالکتریک توصیف شده است. Roundy و همکاران [۹] یک نمونه اولیه از cantilever پیزوالکتریک کوچک (۲۵-۹mm طول) با جرم نسبتا سنگین در انتهای آزاد گزارش دادند که می تواند ۳۷۵ میلی وات از یک منبع ارتعاش ۲٫۵ m/s2 د ر ۱۲۰ هرتز تولید کند.مقیاس دستگاه، با این حال،بسیار بزرگتر ازmems هاست؛ علاوه بر این ساخت دستگاه توسط مونتاژ دستی محدود شده است. Sood [10] یک ژنراتور برق میکرو پیزو الکتریک (PMPG) در پایان نامه خود ارائه داد. PMPG از مدل PZT D33 برای تبدیل انرژی صوت به انرژی برق استفاده کرد. ساختار PMPG منتشر شده از سیلیکون بدنه به صورت XeF2 با خواص فیزیکی مشابه در هر قدم است. فرکانس عملکرد صوتی آن بین ۲۰ تا ۴۰ کیلو هرتز تنظیم می شود و توان خروجی آن در حدود ۱ میلی وات است. تاکنون، به ندرت ژنراتور پیزوالکتریکی در مقیاس MEMS برای تبدیل ارتعاش با فرکانس پایین به انرژی برق ایجاد شده است. در این مطالعه، ساختار cantilever پیزوالکتریک کامپوزیت مبتنی بر MEMS برای برداشت انرژی ارتعاش طراحی شده است. فرایند ساخت میکرو و تست دستگاه همچنین توصیف شده است. ۲٫ ساختار طراحی در میان ساختارهای پشتیبانی memsهای مشترک، مانند: cantilever،پرتو پشتیبانی مضاعف، دیافراگم، cantileverسازگارترین نمونه برای یک نیروی ورودی داده شده است [۱۰] . بنابراین، یک کامپوزیت میکرو cantilever با جرم نیکل اختیاری به عنوان یک نوع ساختار برای ژنراتور طراحی شده است. جرم فلز روی انتهای آزاد (نوک) cantilever برای کاهش فرکانس ساختار طبیعی برای کاربرد در ارتعاش فرکانس پایین استفاده شده است. مانند نشان داده شده در شکل ۱، cantileverکامپوزیت تشکیل شده از فیلم ضخیم پیزوالکتریک بالا، بین جفت الکترودهای فلزی (پلاتین / تیتانیم) برق، و با یک عنصر nonpiezoelectric پایین در تنکنا قرار داده شده است.الکترودها برای بهره برداری ۳۱ حالت برانگیختگی از مواد PZT استفاده میشوند. هرچند پیزوالکتریک در ۳۳ تبدیل حالت می تواند به ولتاژ خروجی بالاتری برسد، برای منبع کم فشار، حجم محدود و سادگی در آرایش الکترود، ۳۱ تبدیل حالت ممکن است فوایدی در کاربردهای MEMS داشته باشد[۱۱]. دستگاه به شرح زیر عمل می کند: هنگامی که کادر پایه دستگاه توسط زمینه های زیست محیطی مرتعش می شود، به طور همزمان نیروی ورودی را به یک سیستم مکانیکی مرتبه دوم تغذیه می کند، برخی از قسمت های دستگاه ممکن است به سمت کادر پایه حرکت کنند، این جابجایی نسبی باعث می شود ماده پیزوالکتریک در سیستم تشدید شده یا فشرده شود.این به نوبه خود باعث تغییر شارژ و تجمع به دلیل اثر پیزوالکتریک می شود. بزرگی این ولتاژ بارالکتریکی متناسب با استرس ناشی از جابجایی نسبی است.
رشته های مرتبط مهندسی برق، مهندسی مکانیک، مهندسی الکترونیک، سیستم های قدرت، ساخت و تولید، تبدیل انرژی و مکاترونیک
۱٫ مقدمه : به تازگی، دستگاه های الکترونیکی مستقل یا جاسازی شده مانند برچسب های RFID و حسگرهای کنترل راه دور بسیار جذاب تر شده اند برای دستگاه هایی که به بالاترین سطح پتانسیل خود می رسند.اگرچه راه حل های عملی باید برای توسعه تأمین انرژی خود به خودی این واحد مستقل ایجاد شوند. چنین واحدهایی به مقدار کمی از منبع انرژی نیاز دارند و کوچک سازی آنها و کم کردن توان مصرفی انها ادامه خواهد یافت.به آنها اغلب با باتری های معمولی در حال حاضر توان داده می شود. با این حال، باتری ها معایبی دارند: هم به تعویض و یا شارژ دوره ای نیاز دارند و اندازه بزرگ و وزن زیادی در مقایسه با دستگاه های میکرو الکترونیک دارند. برای شکستن محدودیت باتری ها، برداشت انرژی از ارتعاش همه جای محیط زیست توسط تکنولوژی سیستم های میکرو مکانیکی و الکترونیکی (MEMS) یکی از راه های امیدوار کننده است. ارتعاش می تواند با استفاده از سه نوع از مبدل های الکترومکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل شود: الکترومغناطیسی [۳-۱]، الکترواستاتیک [۶-۴]، و پیزوالکتریک [۱۰-۷]. موثرترین نوع ژنراتور تاحدی به شرایط عملیاتی مورد نظر بستگی دارد. به طور کلی، ژنراتورهای پیزوالکتریک تبدیل انرژی بالاتری را نشان می دهند [۹]. علاوه بر این، سادگی آن ها به خصوص برای استفاده در MEMS جذاب است.چند نمونه از این میکرو ژنراتورها گزارش شده اند [۱۰-۱] و مطالعات نسبتا کمی به خصوص مطالعات تجربی بر روی ژنراتورهای قدرت پیزوالکتریک وجود دارد[۱۰-۷]. Glynne جونز و همکاران [۸-۷] رویکردی برای طراحی و مدل سازی ارتعاش ژنراتور ارائه دادند، که در آن بدنه ژنراتور پیزوالکتریک توصیف شده است. Roundy و همکاران [۹] یک نمونه اولیه از cantilever پیزوالکتریک کوچک (۲۵-۹mm طول) با جرم نسبتا سنگین در انتهای آزاد گزارش دادند که می تواند ۳۷۵ میلی وات از یک منبع ارتعاش ۲٫۵ m/s2 د ر ۱۲۰ هرتز تولید کند.مقیاس دستگاه، با این حال،بسیار بزرگتر ازmems هاست؛ علاوه بر این ساخت دستگاه توسط مونتاژ دستی محدود شده است. Sood [10] یک ژنراتور برق میکرو پیزو الکتریک (PMPG) در پایان نامه خود ارائه داد. PMPG از مدل PZT D33 برای تبدیل انرژی صوت به انرژی برق استفاده کرد. ساختار PMPG منتشر شده از سیلیکون بدنه به صورت XeF2 با خواص فیزیکی مشابه در هر قدم است. فرکانس عملکرد صوتی آن بین ۲۰ تا ۴۰ کیلو هرتز تنظیم می شود و توان خروجی آن در حدود ۱ میلی وات است. تاکنون، به ندرت ژنراتور پیزوالکتریکی در مقیاس MEMS برای تبدیل ارتعاش با فرکانس پایین به انرژی برق ایجاد شده است. در این مطالعه، ساختار cantilever پیزوالکتریک کامپوزیت مبتنی بر MEMS برای برداشت انرژی ارتعاش طراحی شده است. فرایند ساخت میکرو و تست دستگاه همچنین توصیف شده است. ۲٫ ساختار طراحی در میان ساختارهای پشتیبانی memsهای مشترک، مانند: cantilever،پرتو پشتیبانی مضاعف، دیافراگم، cantileverسازگارترین نمونه برای یک نیروی ورودی داده شده است [۱۰] . بنابراین، یک کامپوزیت میکرو cantilever با جرم نیکل اختیاری به عنوان یک نوع ساختار برای ژنراتور طراحی شده است. جرم فلز روی انتهای آزاد (نوک) cantilever برای کاهش فرکانس ساختار طبیعی برای کاربرد در ارتعاش فرکانس پایین استفاده شده است. مانند نشان داده شده در شکل ۱، cantileverکامپوزیت تشکیل شده از فیلم ضخیم پیزوالکتریک بالا، بین جفت الکترودهای فلزی (پلاتین / تیتانیم) برق، و با یک عنصر nonpiezoelectric پایین در تنکنا قرار داده شده است.الکترودها برای بهره برداری ۳۱ حالت برانگیختگی از مواد PZT استفاده میشوند. هرچند پیزوالکتریک در ۳۳ تبدیل حالت می تواند به ولتاژ خروجی بالاتری برسد، برای منبع کم فشار، حجم محدود و سادگی در آرایش الکترود، ۳۱ تبدیل حالت ممکن است فوایدی در کاربردهای MEMS داشته باشد[۱۱]. دستگاه به شرح زیر عمل می کند: هنگامی که کادر پایه دستگاه توسط زمینه های زیست محیطی مرتعش می شود، به طور همزمان نیروی ورودی را به یک سیستم مکانیکی مرتبه دوم تغذیه می کند، برخی از قسمت های دستگاه ممکن است به سمت کادر پایه حرکت کنند، این جابجایی نسبی باعث می شود ماده پیزوالکتریک در سیستم تشدید شده یا فشرده شود.این به نوبه خود باعث تغییر شارژ و تجمع به دلیل اثر پیزوالکتریک می شود. بزرگی این ولتاژ بارالکتریکی متناسب با استرس ناشی از جابجایی نسبی است.
Description
Recently, stand-alone or embedded electronic devices such as RFID tags and remote sensors become more attractive. For such devices to achieve their full potential, however, practical solutions must be developed for self-powering these autonomous units. Such units need small amounts of energy supply and their miniaturization and low-power consumption trend will continue. They are often powered by conventional batteries now. However, batteries have several disadvantages: the need either to replace or to recharge them periodically and their large size and weight compared to those of microelectronic devices. To break the restriction of the batteries, energy harvesting from ubiquitous environmental vibration by micro-electronic-mechanical systems (MEMS) technology is one of the promising alternatives. The vibration can be converted to electric energy using three types of electromechanical transducers: electromagnetic [1–۳], electrostatic [4–۶], and piezoelectric [7–۱۰]. The most effective generator type depends, to some extent, on the specific operating conditions. Generally, piezoelectric generator shows higher energy conversion [9]. In addition, its simplicity is particularly attractive for use in MEMS. Several examples of such micro-generators have been reported [1–۱۰], and there have been relatively few reported studies especially experimental studies on the piezoelectric power generators [7–۱۰]. Glynne-Jones et al. [7,8] provided an approach to design and model the vibration generator, in which a bulk piezoelectric generator was described. Roundy et al. [9] reported a kind of prototype of tiny, piezoelectric cantilever (9–۲۵ mm in length) with a relatively heavy mass on the free end, which can generate 375 mW from a vibration source of 2.5 m/s2 at 120 Hz. The scale of the device, however, is larger than that of most MEMS devices; furthermore the device fabrication is limited by manual assembly. Sood [10] presented a piezoelectric micro power generator (PMPG) in his dissertation. The PMPG utilized PZT d33 mode for conversion of acoustical energy to electrical power. The structure of PMPG is released from the bulk silicon by a way of XeF2 isotropic etch step. Its acoustic operation frequency is set between 20 and 40 kHz, its power output is about 1 mW. So far, there has been scarcely any film piezoelectric generator developed at the scale of MEMS for conversion of low-frequency vibration to electrical power. In this study, An MEMS-based composite piezoelectric cantilever structure is designed for the vibration energy harvesting. Micro fabrication process and test of the device are also emphatically described.
