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) 3:

ทดลองและทางทฤษฎีตรวจสอบไมโครสเกล Morph หลายสะพาน piezoelectric พลังงานการสั่นเก็บเกี่ยว ( pzehs ) ของไมโครเทคโนโลยี ( MEMS ) ซึ่งประกอบด้วย แกนกายของ pzeh เป็น " หลาย Morph " สะพานที่ปลายด้านหนึ่งจะยึดกับฐาน และจบอื่น ๆฟรี" ซ่อมฟรี " สะพาน รวมทั้งระบบการพิสูจน์มวล ( เรียกว่าจบมวล ) ในตอนท้ายฟรีที่สามารถแกว่งไปมา ด้วยวิธีการแบบ Cantilever ภายใต้กระแสอย่างต่อเนื่องของฐานการเคลื่อนไหว สมการอนุพันธ์บางส่วน ( PDE ) การดัดคลื่นการขยายพันธุ์ในหลาย Morph สะพานจะตรวจทานเสียงสะท้อนความถี่ของโหมดที่ถูกที่สุดของหลาย Morph
สะพาน pzeh บางอัตราส่วนของมวลมวลคำนวณคานยื่นหลักฐานโดยการ PDE สามารถ หรือใช้ก้อนธาตุเป็นแบบหดหู่ง่าย Harmonic oscillator ; ผลของพวกเขาในข้อตกลงที่ดี ( กัน
≤ 0.5% ) ทดลอง ,pzehs ซึ่งถูกสร้างโดยใช้เทคนิคมาตรฐานการผลิตไมโคร คำนวณพื้นฐานเรโซแนนซ์ความถี่เอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าต่ำและผลผลิตพลังงานของ P กับโหลดที่สอดคล้องกันของพวกเขาเทียบพ้องต้องกันกับวัดค่านิยม ความแตกต่างคือน้อยกว่า 4% นอกจากนี้ ต้นแบบ pzeh MEMS แสดงกี่ที่ 58.0 ± 2.0 G ( g = 0.7 Hz ภายใต้ 981 เมตร / S2 ) แบบภายนอก พลังที่สอดคล้องกันถึง 63  W กับผลผลิตโหลดอิมพีแดนซ์ Z 85 K  . นี้เปิดใช้งานไมโครไฟฟ้าเรียบร้อยแล้ว โหนดเซ็นเซอร์ไร้สายด้วยระบบเซ็นเซอร์ ความถี่วิทยุ ( RF ) วิทยุ อิเล็กทรอนิกส์ การจัดการพลังงานและลิเธียมไอออนแบตเตอรี่ฟิล์มบางขั้นสูงสำหรับพลังงานกระเป๋าที่ 2011 เซ็นเซอร์ Expo และการประชุมที่จัดขึ้นในชิคาโก , อิลลินอยส์ . นอกจากนี้ที่ 58 Hz และ 0.5 , 1.0 กรัมแบบพลังระดับ 32 , 128  W ก็ยังได้ และทั้งหมดเหล่านี้สามระดับ พลังงาน โดยได้สัดส่วนกับตารางของความเร่งขนาดเป็นทำนายโดยทฤษฎีรายงานจุดที่ความถี่เรโซแนนซ์ F1 และ g-level เร่งมาถึงร่างสูง " บุญ " ความหนาแน่น [ พลัง× ( แบนด์วิดธ์ / ความถี่เสียง ) ] เกิดขึ้นในหมู่ผู้ที่รายงานในวรรณคดีที่ทันสมัยคุณภาพสูง ปัจจัย pzeh แควนตัส รวมทั้งอุปกรณ์