طراحی الکترودهای انگشتی متداخل با فاصله متغیر در طول تیر برای بهبود عملکرد نانوژنراتورهای یک‌سرگیردار بر اساس لایه نازک پیزوالکتریک

یکی از وسایل برداشت‌کننده‌ انرژی از ارتعاشات محیط در مقیاس کوچک، طرح نانوژنراتور تیر یک‌سر گیردار با الکترودهای انگشتی متداخل و جرم انتهایی است که بر اساس کرنش نانولایه‌ پیزوالکتریک روی سطح تیر، انرژی الکتریکی با ولتاژ بالا تولید می‌کند. به دلیل یکسان‌نبودن کرنش در طول تیر، پتانسیل الکتریکی متغیر در الکترودها ایجاد شده و پدیده حذف ولتاژ وابسته به شکل مود رخ می‌دهد. در این مقاله، با تغییر فاصله بین الکترودها به نسبت عکس کرنش طولی در لایه پیزوالکتریک، ولتاژ ایجادشده در الکترودهای هم‌نام با یکدیگر برابر شده و از حذف ولتاژ و کاهش توان خروجی جلوگیری شده است. برای مدل‌سازی نانوژنراتور، از تئوری تیر اویلر- برنولی استفاده شده و با استفاده از روش انرژی، معادله دیفرانسیل وابسته به زمان مسئله استخراج شده است. سپس، روش رانگ-کوتا مرتبه 4 جهت حل معادلات استفاده شده و دامنه ولتاژ و توان الکتریکی خروجی نانوژنراتور تحت تحریک پایه استخراج شده است. نتایج عددی نشان می‌دهد، با تغییر تطبیقی فاصله الکترودها، می‌توان تا 36% به ولتاژ تولید شده در حالت مقاومت الکتریکی بهینه و تا 40% به ولتاژ مدار باز افزود. کوپلینگ سیستم نیز تا 10% افزایش یافت. با ارائه نتایج عددی نشان داده شد که کاهش پهنای الکترودها باعث افزایش ولتاژ نانوژنراتور می‌شود. همچنین افزایش تعداد الکترودها منجر به کاهش ولتاژ و افزایش جریان الکتریکی خروجی می‌شود.

variable distance interdigitated electrodes design to improve the performance of cantilever piezoelectric thin films nanogenerators

a small-scaled device for ambient energy harvesting is a high voltage cantilever nanogenerator with interdigitated electrodes carrying a tip mass that acts upon the strain induced in the top piezoelectric layer. in this device, more strain gradient over the length, more electric potential in adjacent electrodes depending on the vibration mode shape at which voltage cancelation may occur. in this work, changing the distance between the electrodes proportional to the inverse of strain function, the induced voltage in all the electrodes are equalized that prevents the voltage cancelation. the euler-bernoulli beam model is used for the problem and the governing time-dependent equation is derived based on the energy method. then, the 4th order runge-kutta method is used to solve it from which the output voltage is derived for base excitation. the results show that it is possible to increase the voltage by 36% for optimal electrical load by this procedure and for 40% for open circuit conditions. the system coupling is also increased by 10%. moreover, the results show that the smaller size of electrodes, the higher the output voltage. whereas, increasing the number of electrodes makes the voltage reduce in contrast with the electric current.