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

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

استادیار، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مکانیک

چکیده

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.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • Abbas Asadi
  • mohammad Gandomkar
Faculty of Mechanics, Malek Ashtar University of Technology, Iran
چکیده [English]

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. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanogenerator Performance Improving
  • Piezoelectric Nanolayer
  • Interdigitated electrodes
  • Variable distance electrodes
[1] Z. Yang, S. Zhou, J. Zu, D. Inman, High-performance piezoelectric energy harvesters and their applications, Joule, 2(4) (2018) 642-697.
[2] J. Briscoe, S. Dunn, Piezoelectric nanogenerators–a review of nanostructured piezoelectric energy harvesters, Nano Energy, 14 (2015) 15-29.
[3] S.-G. Kim, S. Priya, I. Kanno, Piezoelectric MEMS for energy harvesting, MRS bulletin, 37(11) (2012) 1039-1050.
[4] L. Tang, Y. Yang, C.K. Soh, Toward broadband vibration-based energy harvesting, Journal of intelligent material systems and structures, 21(18) (2010) 1867-1897.
[5] A. Khan, Z. Abas, H.S. Kim, I.-K. Oh, Piezoelectric thin films: an integrated review of transducers and energy harvesting, Smart Materials and Structures, 25(5) (2016) 053002.
[6] K.S. Ramadan, D. Sameoto, S. Evoy, A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers, Smart Materials and Structures, 23(3) (2014) 033001.
[7] D. Guyomar, M. Lallart, Recent progress in piezoelectric conversion and energy harvesting using nonlinear electronic interfaces and issues in small scale implementation, Micromachines, 2(2) (2011) 274-294.
[8] C. Wang, Z. Wang, T.-L. Ren, Y. Zhu, Y. Yang, X. Wu, H. Wang, H. Fang, L. Liu, A Micromachined Piezoelectric Ultrasonic Transducer Operating in d33 Mode Using Square Interdigital Electrodes, IEEE sensors journal, 7(7) (2007) 967-976.
[9] Y. Jeon, R. Sood, J.-H. Jeong, S.-G. Kim, MEMS power generator with transverse mode thin film PZT, Sensors and Actuators A: Physical, 122(1) (2005) 16-22.
[10] W. Choi, Y. Jeon, J.-H. Jeong, R. Sood, S.-G. Kim, Energy harvesting MEMS device based on thin film piezoelectric cantilevers, Journal of Electroceramics, 17(2-4) (2006) 543-548.
[11] C. Bowen, L. Nelson, R. Stevens, M. Cain, M. Stewart, Optimisation of interdigitated electrodes for piezoelectric actuators and active fibre composites, Journal of Electroceramics, 16(4) (2006) 263-269.
[12] C. Mo, S. Kim, W.W. Clark, Theoretical analysis of energy harvesting performance for unimorph piezoelectric benders with interdigitated electrodes, Smart Materials and Structures, 18(5) (2009) 055017.
[13] R.R. Knight, C. Mo, W.W. Clark, MEMS interdigitated electrode pattern optimization for a unimorph piezoelectric beam, Journal of electroceramics, 26(1-4) (2011) 14-22.
[14] M. Kim, J. Dugundji, B.L. Wardle, Effect of electrode configurations on piezoelectric vibration energy harvesting performance, Smart Materials and Structures, 24(4) (2015) 045026.
[15] S. Du, Y. Jia, S.-T. Chen, C. Zhao, B. Sun, E. Arroyo, A.A. Seshia, A new electrode design method in piezoelectric vibration energy harvesters to maximize output power, Sensors and Actuators A: Physical, 263 (2017) 693-701.
[16] S. Lee, B.D. Youn, A design and experimental verification methodology for an energy harvester skin structure, Smart Materials and Structures, 20(5) (2011) 057001.
[17] A. Erturk, P.A. Tarazaga, J.R. Farmer, D.J. Inman, Effect of strain nodes and electrode configuration on piezoelectric energy harvesting from cantilevered beams, Journal of Vibration and Acoustics, 131(1) (2009) 011010.
[18] S. Lee, B.D. Youn, B.C. Jung, Robust segment-type energy harvester and its application to a wireless sensor, Smart Materials and Structures, 18(9) (2009) 095021.
[19] C.J. Rupp, A. Evgrafov, K. Maute, M.L. Dunn, Design of piezoelectric energy harvesting systems: a topology optimization approach based on multilayer plates and shells, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 20(16) (2009) 1923-1939.
[20] M. Jabbari, The effect of strain nodes on the energy harvesting of the cantilever piezoelectric beam with the vibration mode excitation, Modares Mechanical Engineering, 17(10) (2017) 65-72.
[21] N.E. Du Toit, Modeling and design of a MEMS piezoelectric vibration energy harvester, Massachusetts Institute of Technology, 2005.
[22] N. Elvin, A. Erturk, Advances in energy harvesting methods, Springer Science & Business Media, 2013.
[23] A. Toprak, O. Tigli, Interdigitated-electrode-based mems-scale piezoelectric energy harvester modeling and optimization using finite element method, IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 60(10) (2013) 2162-2174.
[24] A.I.S. 176-, IEEE standard on piezoelectricity, in, IEEE New York, 1987.
[25] N.E. DuToit, B.L. Wardle, Experimental verification of models for microfabricated piezoelectric vibration energy harvesters, AIAA journal, 45(5) (2007) 1126-1137.
[26] N.W. Hagood, W.H. Chung, A. Von Flotow, Modelling of piezoelectric actuator dynamics for active structural control, Journal of intelligent material systems and structures, 1(3) (1990) 327-354.
[27] M. Kim, M. Hoegen, J. Dugundji, B.L. Wardle, Modeling and experimental verification of proof mass effects on vibration energy harvester performance, Smart Materials and Structures, 19(4) (2010) 045023.
[28] N. James, U. Lafont, S. Van der Zwaag, W. Groen, Piezoelectric and mechanical properties of fatigue resistant, self-healing PZT–ionomer composites, Smart Materials and Structures, 23(5) (2014) 055001.
[29] Q. Li, M.-H. Zhang, Z.-X. Zhu, K. Wang, J.-S. Zhou, F.-Z. Yao, J.-F. Li, Poling engineering of (K, Na) NbO 3-based lead-free piezoceramics with orthorhombic–tetragonal coexisting phases, Journal of Materials Chemistry C, 5(3) (2017) 549-556.
[30] J. Wu, X. Gao, Y. Yu, J. Yang, Z. Chu, A.A. Bokov, Z.-G. Ye, S. Dong, Quantitative studies of domain evolution in tetragonal BS–PT ceramics in electric poling and thermal depoling processes, Journal of Materials Chemistry C, 7(15) (2019) 4517-4526.