طراحی و تحلیل یک میکروژنراتور پیزوالکتریک با قابلیت تنظیم پذیری فرکانس طبیعی برای کاربرد در شبکه سنسورهای بی‌سیم

در این مقاله یک میکروژنراتور با استفاده از تیر دوسر گیردار همراه با بارگذاری در وسط تیر برای تولید انرژی الکتریکی مورد مطالعه قرار گرفته است. تیر از لایه های مختلفی از سیلیکون، پیزو الکتریک، عایق ها و الکترودها بر اساس تکنولوژی میکروماشین تشکیل شده است که توسط نیروی خارجی اعمال شده به قاب ثابت آن نوسان می کند. طراحی ساختار بگونه ای بوده که با بیشترین استفاده از فضای موجود، یک تولید کننده انرژی پیزوالکتریک با ابعاد  cm2 0.25 با قابلیت کنترل فرکانس طبیعی آن حاصل شده است. علاوه بر لایه پیزوالکتریک مولد، یک لایه دیگر پیزوالکتریک جهت تحریک سیستم نیز در دو طرف تیر لایه نشانی شده است که امکان جابجایی فرکانس طبیعی را تا کمتر از  hz10 برای سیستم فراهم می کند. تحلیل تئوری بروش معادلات دیفرانسیل جزئی برای تیر دو سر گیردار چندلایه انجام شده است که شبیه سازی انجام شده نیز نتایج تئوری را تایید می کند. در میکروژنراتور طراحی شده، فرکانس طبیعی سیستم در حالت بدون تحریک  hz127 بوده که در شتاب g 1، ولتاژ  3.35v ±تولید نموده و توان الکتریکی  µw45 از آن قابل دریافت می باشد که برای کاربردهای شبکه حسگرهای بی سیم و زیست حسگرها مناسب می باشد.

Designing and Analyzing of a Piezoelectric Energy Harvester with Tunable Natural Frequency for WSN Application

This paper presents a new approach for a Piezoelectric Energy Harvester (PEH) with actuation piezoelectric layer to shift system natural frequency. Beams are consisted of Si and AlN piezoelectric based on MEMS technology and piezoelectric is deposited on FixedFixed beams with mass loading that produces more stress points and generates more power in comparison to other cantilever beam PEHs. This PEH with ability of shifting system natural frequency is designed in the size of 0.25 cm2 using optimum available space. In addition to piezoelectric generating layers, piezoelectric layers for actuation purpose is added on both sides of the beams for possibility of reducing system natural frequency to less than 10 Hz. Accomplished simulation also confirms theoretical calculation done by Partial Differential Equation (PDE) method for a FixedFixed beam with mass loading in the center to estimate natural frequency of the system and generated voltage from piezoelectric effect. Natural frequency of the system in the designed structure without piezoelectric actuation voltage is about 127 Hz that with 1 g acceleration generated ±3.35 volts and 45 µW electrical powers which can be used in wireless sensor network and biosensing applications.