Experimental and theoretical invest

Experimental and theoretical investigations on micro-scale multi-morph cantilever piezoelectric vibrational
energy harvesters (PZEHs) of the MicroElectroMechanical Systems (MEMS) are presented. The
core body of a PZEH is a “multi-morph” cantilever, where one end is clamped to a base and the other
end is free. This “fixed-free” cantilever system including a proof-mass (also called the end-mass) on the
free-end that can oscillate with the multi-layer cantilever under continuous sinusoidal excitations of
the base motion. A partial differential equation (PDE) describing the flexural wave propagating in the
multi-morph cantilever is reviewed. The resonance frequencies of the lowest mode of a multi-morph
cantilever PZEH for some ratios of the proof-mass to cantilever mass are calculated by either solving
the PDE numerically or using a lumped-element model as a damped simple harmonic oscillator; their
results are in good agreement (disparity
≤
0.5%). Experimentally, MEMS PZEHs were constructed using
the standard micro-fabrication technique. Calculated fundamental resonance frequencies, output electric
voltage amplitude V and output power amplitude P with an optimum load compared favorably with
their corresponding measured values; the differences are all less than 4%. Furthermore, a MEMS PZEH
prototype was shown resonating at 58.0
±
2.0 Hz under 0.7 g (g = 9.81 m/s2) external excitations, corresponding
peak power reaches 63 W with an output load impedance Z of 85 k. This micro-power
generator enabled successfully a wireless sensor node with the integrated sensor, radio frequency (RF)
radio, power management electronics, and an advanced thin-film lithium-ion rechargeable battery for
power storage at the 2011 Sensors Expo and Conference held in Chicago, IL. In addition, at 58 Hz and 0.5,
1.0 g excitations power levels of 32, and 128 W were also obtained, and all these three power levels
demonstrated to be proportional to the square of the acceleration amplitude as predicted by the theory.
The reported P at the fundamental resonance frequency f1 and acceleration G-level, reached the highest
“Figure of Merit” [power density
×
(bandwidth/resonant frequency)] achieved amongst those reported
in the up-to-date literature for high quality factor Qf MEMS PZEH devices.

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

การตรวจสอบการทดลองและทฤษฎีเกี่ยวกับไมโครขนาดหลาย Morph เท้าแขน piezoelectric สั่น
เก็บเกี่ยวพลังงาน (PZEHs) ของระบบจุลภาค (MEMS) ถูกแสดง
ร่างกายหลักของ PZEH คือ "หลาย Morph" เท้าแขนที่ปลายด้านหนึ่งถูกยึดไปที่ฐานและอื่น ๆ ที่
ปลายฟรี นี้ "คงที่ฟรี" ระบบเท้าแขนรวมทั้งหลักฐานมวล (ที่เรียกว่าปลายมวล) ใน
ฟรีปลายที่สามารถสั่นด้วยเท้าแขนหลายชั้นภายใต้ excitations ซายน์อย่างต่อเนื่องของ
การเคลื่อนไหวฐาน สมการเชิงอนุพันธ์บางส่วน (PDE) อธิบายขยายพันธุ์คลื่นดัดใน
คานหลาย Morph ได้รับการทบทวน ความถี่เสียงของโหมดต่ำสุดของหลาย Morph
PZEH เท้าแขนสำหรับอัตราส่วนบางส่วนของหลักฐานมวลเท้าแขนมวลคำนวณโดยทั้งการแก้
PDE ตัวเลขหรือการใช้รูปแบบการล้างโลกองค์ประกอบเป็นน้ำหมาด ๆ oscillator ประสานง่าย ของพวกเขา
ผลอยู่ในข้อตกลงที่ดี (ความแตกต่างกัน
≤
0.5%) ทดลอง MEMS PZEHs ถูกสร้างขึ้นโดยใช้
เทคนิคไมโครผลิตมาตรฐาน คำนวณความถี่เรโซแนนพื้นฐานการส่งออกไฟฟ้า
แรงดันไฟฟ้ากว้าง V และแอมพลิจูกำลัง P กับโหลดสูงสุดเมื่อเทียบกับ
ค่าที่วัดได้สอดคล้องของพวกเขา ความแตกต่างที่มีทั้งหมดน้อยกว่า 4% นอกจากนี้ MEMS PZEH
ต้นแบบก็แสดงให้เห็นสะท้อนที่ 58.0
±
2.0 Hz ภายใต้ 0.7 กรัม (กรัม = 9.81 เมตร / s2) excitations ภายนอกสอดคล้อง
อำนาจสูงสุดถึง 63? W กับเอาท์พุทอิมพีแดนโหลด Z 85 k ?. นี้ไมโครไฟฟ้า
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่เปิดใช้งานที่ประสบความสำเร็จโหนดเซ็นเซอร์ไร้สายที่มีเซ็นเซอร์แบบบูรณาการ, คลื่นความถี่วิทยุ (RF)
วิทยุอิเล็กทรอนิกส์การจัดการพลังงานและฟิล์มบางลิเธียมไอออนแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟขั้นสูงสำหรับการ
จัดเก็บพลังงานที่ 2011 วัดประชุมและแสดงสินค้าที่จัดขึ้นใน Chicago, IL นอกจากนี้ที่ 58 Hz และ 0.5,
1.0 กรัมระดับพลังงาน excitations 32, และ 128? W ที่ได้รับด้วยและทั้งสามระดับพลังงาน
แสดงให้เห็นถึงเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูเร่งตามคำทำนายของทฤษฎี
รายงาน P ที่ f1 ความถี่เรโซแนนพื้นฐานและการเร่ง G-ระดับสูงสุดถึง
"รูปบุญ" [ความหนาแน่นพลังงาน
×
(แบนด์วิดธ์ / ความถี่เรโซแนน)] ประสบความสำเร็จในหมู่ผู้ที่รายงาน
ในวรรณกรรม up-to-วันที่สำหรับปัจจัยที่มีคุณภาพสูง Qf MEMS อุปกรณ์ PZEH

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

ทดลองและทางทฤษฎีตรวจสอบไมโครสเกลสะพาน piezoelectric Morph หลายสั่น
พลังงานเก็บเกี่ยว ( pzehs ) ของไมโครเทคโนโลยี ( MEMS ) ซึ่งประกอบด้วย
ภายในร่างกายของ pzeh เป็น " หลาย Morph " สะพานที่ปลายด้านหนึ่งจะยึดกับฐานและปลายอีก
ฟรี" ซ่อมฟรี " สะพาน รวมทั้งระบบการพิสูจน์มวล ( เรียกว่าจบมวล ) บน
จบฟรีที่สามารถแกว่งไปมา ด้วยวิธีการแบบ Cantilever ภายใต้กระแสอย่างต่อเนื่องของ
ฐานการเคลื่อนไหว สมการอนุพันธ์บางส่วน ( PDE ) การดัดคลื่นการขยายพันธุ์ใน
หลาย Morph สะพานจะตรวจทานเสียงสะท้อนความถี่ของโหมดที่ถูกที่สุดของหลาย Morph
สะพาน pzeh บางอัตราส่วนของมวลมวลคำนวณคานยื่นหลักฐานโดยแก้
PDE สามารถ หรือใช้ก้อนธาตุเป็นแบบหดหู่ง่าย Harmonic oscillator ; ผลลัพธ์
ในข้อตกลงที่ดี ( กัน

≤ 0.5% ) การทดลอง MEMS , pzehs
ถูกสร้างโดยใช้มาตรฐานเทคนิคการผลิตไมโคร คำนวณพื้นฐานเรโซแนนซ์ความถี่เอาต์พุตไฟฟ้าแรงดันต่ำ และเอาต์พุต V
1 P กับโหลดที่เหมาะสมเทียบพ้องต้องกันกับ
สอดคล้องกับค่าที่วัด ; ความแตกต่างทั้งหมดไม่น้อยกว่า 4 % นอกจากนี้ ต้นแบบ pzeh
MEMS แสดงกี่ที่ 58.0

± 2.0 Hz 0.7 กรัม ( g = 9.81 ภายใต้ M / S2 ) แบบภายนอกพลังงานสูงสุดที่สอดคล้องกัน
ถึง 63  W กับผลผลิตโหลดอิมพีแดนซ์ Z 85 K  . นี้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าใช้ไมโครพลังงาน
เรียบร้อยแล้วโหนดเซ็นเซอร์ไร้สายด้วยระบบเซ็นเซอร์ ความถี่วิทยุ ( RF )
วิทยุ อิเล็กทรอนิกส์ การจัดการพลังงาน และลิเธียมไอออนแบตเตอรี่ฟิล์มบางขั้นสูงสำหรับ
ที่เก็บพลังงานที่ 2011 เซ็นเซอร์ Expo และการประชุมที่จัดขึ้นในชิคาโก , อิลลินอยส์ . นอกจากนี้ที่ 100 Hz และ 0.5
1.0 กรัมแบบพลังระดับ 32 , 128  W ก็ยังได้ และทั้งหมดเหล่านี้สามระดับ พลังงาน
โดยได้สัดส่วนกับตารางของความเร่งขนาดเป็นทำนายโดยทฤษฎี .
รายงาน P ที่ความถี่เรโซแนนซ์ F1 และ g-level เร่งถึงสูงสุด
" รูปบุญ " [

×ความหนาแน่นพลังงาน( แบนด์วิดธ์ / ความถี่เสียง ) ] เกิดขึ้นในหมู่ผู้ที่รายงาน
ในวรรณคดีที่ทันสมัยคุณภาพสูง ปัจจัย pzeh แควนตัส รวมทั้งอุปกรณ์