بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبيه سازي و بررسي تاثير تغييرات هندسي در فرکانس تشديد قطعه پيزو الکتريک
برداشت کننده انرژي الکتريکي
چکيده - در مقاله حاضر عملکرد قطعه پيزوالکتريکي برداشت کننده انرژي براي تبديل انرژي صوتي به انرژي الکتريکيبحث و شبيه سازي شده است .
مواد پيزوالکتريک بطور ذاتي قادر هستند ارتعاشات محيط را به انرژي الکتريکي تبديل کنند. اين قطعه با توجه به ميزان تنش مکانيکيناشي از صوت ورودي، ولتاژ الکتريکي توليد مي نمايد. ازجمله پارامترهاي موثر در ميزان توان خروجي و بازده سيستم ، مي توان به شعاع ، ضخامت ، دما، رطوبت ،فشار محيط و نوع ماده مورد استفاده در ديافراگم و خود ماده پيزوالکتريک اشاره کرد . . در ادامه تاثير تغييرضخامت ديافراگم و نوع ماده استفاده شده در آن بر فرکانس تشديد و چگالي توانگرفته شده از قطعه بررسي شد و نتايج مورد تحليل و تفسير قرار گرفت . ديده مي شود که با افزايش ضخامت ، فرکانس تشديد افزايش و با افزايش شعاع خارجي ، فرکانس تشديد کاهش مييابد.
کليد واژه - برداشت کننده انرژي ؛ پيزوالکتريک ؛ فرکانس تشديد
١- مقدمه
دريافـت انرژيهـاي اتـلاف شـده در محـيط ، توسـط قطعـات مناسب و تبديل آن به انرژي الکتريکـي قابـل اسـتفاده ، برداشـت انرژي ناميده ميشود. ايـن موضـوع در سـالهاي اخيـر، بـه دليـل گسترش فناوري سيستمهاي بيسيم و بکارگرفتن باطريهاي قابـل شارژ در اين سيستمها، همچنين بخاطر امکان استفاده از اين نوع منــــــــــــابع در قطعــــــــــــات الکترونيکــــــــــــي کمتوانوکممصرف ،بهشدتموردتوجهمحققانقرارگرفتهاســـــــــت .
دربسياري از اين نوع قطعات ، از مواد پيزوالکتريک بعنوان عامـل تبديلکننده انرژي مکانيکي به الکتريکي استفاده ميشود کـه ايـن امر بدليل ساختار بلوري خاص مـواد پيزوالکتريـک اسـت کـه در صورت اعمال فشار مکانيکي مي-توانند به دو قطبيهاي الکتريکي تبديل شوند.
بــا پيشــرفتهاي اخيــر در فنــاوري سيســتمهاي بيســيم و همچنين توسعه و پيشرفت فنـاوري سـاخت بسياري از قطعـات الکترونيکي و مکانيکي به شکل سيستمهاي ميکروالکترومکانيـک (MEMS)، استفاده از تجهيزات قابل حمل کوچک و سنسورهاي قابل نصب در مناطق دوردست ، رو به فزوني است . امکان سـاخت قطعات برداشـت کننـده پيزوالکتريـک بـا اسـتفاده از تکنولـوژي
سيســتمهاي ميکروالکترومکانيــک (MEMS)و همچنــين امکــان مجتمع سازي اين قطعات با مدارهاي الکترونيکي، باعث شـده تـا استفاده از اين قطعات درسيستمهاي بدون سيم کوچـک و قابـل حمل فراهم آيـد. در مـورد حـداکثرتوان توليـدي توسـط قطعـه برداشت کننده انرژي پيزوالکتريکـي ، منـابع انـرژي مکـانيکي در دسترس [١-٣]، مدارات الکتريکي تطبيقيافته [٤و٥]، و يا تغييـر شکل سيگنال توليدي قابل استفاده دريک سنسـور و يـا مناسـب براي شارژ يک باطري [٦] تحقيقات زيادي به عمل آمـده اسـت .
از ديگر مشخصـات مهـم قطعـه برداشـت کننـده انـرژي صـوتي فرکانس تشـديد آن مـي باشـد کـه در طراحـي درک درسـت از پارامتر هاي تاثير گـذار بـر آن اهميتـدارد. در مطالعـه پـيش رو، رفتار قطعه برداشت کننده انـرژي پيزوالکتريکـي بـا اسـتفاده از ماده سراميکي زيرکنات تيتانيم سرب (PZT) که مي تـوان گفـت به نوعي مهم ترين ماده پيزو الکتريک است انجام شـده اسـت .در اين تحقيق ، از ميان انـواع مختلـف ،A٥-PZT وH٥-PZT و AlN مورد استفاده و مقايسه قرار گرفته است . نوعا در هنگـام اسـتفاده ازمواد پيزوالکتريک از PZT استفاده مي شـود بخـاطر ثابـت دي - الکتريک مناسبو همين طور ضريب پيزوالکتريک بالايي که دارد و مي تواند توان بيشتريتوليد کند[٧]. در اين پـروژه از ميـان مـواد PZT، مواد A٥-PZT وH٥-PZT مورد استفاده قرار گرفته اند.هر دوي اين مواد جزء مواد PZTنرم هستند ولي H٥-PZTاز سـختي بيشتري برخوردار است . همين طور ماده آلومينيـوم نيترايـد نيـز مورد استفاده قرار گرفته است . اين ماده بخاطر ايـن کـه تناسـب بيشـتري بـا تکنولـوژي CMOS دارد و نيـز چـون تکنيـک هـاي مجتمع سازي آن بسيار ساده تر است مزيت هاي خـاص خـود را دارد.
.
٢- تعريف مدل
ساختار قطعه ممز برداشت انرژي صوتي مورد استفاده در اين مقاله در شکل ١ نشان داده شده است . اين قطعه از يک رزوناتور هلمهولتز [٨]ويک صفحه مرکبپيزوالکتريکتشکيل شده است .قسمت ديافراگم که دريافت کننده انرژي مکانيکي موج اکوستيک ورودي مي باشد از جنس س ليکن (٥) با روکشي از TiO٢ (٤) به ضخامت nm١٠٠ مي باشد. لايه نازکي از SiO٢ (٦) بر روي پايه س ليکني (٧) قرار داده شده تا حرکت نوساني سيستم را تحمل کند و کمتر آن را دمپ کند.در اين طرح از ماده پيزو(٢) با ضخامت nm٢٦٧استفاده شده است . همچنين الکترودهاي دو طرف ماده پيزو (١و٣) از جنس پلاتينيم انتخاب شده است . شعاع ديافراگم وسط m١١١٥ R١ وشعاع تا انتهاي لايه پيزو الکتريک 200 R2 مي باشد. ورودي رزوناتور هلمهولتز از يک حفره که به محيط از طريقيک گردنه کوچک اتصال پيدا مي کند اعمال مي شود.عملکرد قطعه بصورتي است که وقتي توسط ورودي صوتي برانگيخته شود، سيگنال تشديد توليد شده باعث به نوسان در آمدن صفحه مي شود. انجام عمل تشديد در واقع به معني تقويت منبع صوتي اعمالي مي باشد. در نتيجه اين عمل ، نوسانات توليد شده مي تواند به منظور برداشت انرژي الکتريکي، مورد استفاده قرار بگيرد. اين تبديل توسط صفحه پيزوالکتريک قابل انجام است که به دليل پاسخ پيزوالکتريک به کرنشهاي مکانيکي و در نتيجه توليد ولتاژالکتريکي مي باشد..شبيه سازي اين مسئله به صورت سه بعدي انجام پذيرفته و مش بندي از ١٢١٦٠٠ عنصر تشکيل شده است که در شکل ٢ مشاهده مي شود.
٣- معادلات حاکم بر قطعه
تمام معادله اصلي حاکم بر مواد پيزو به شکل زير مي باشد [٩ و :[10
در اينجا Sکرنش مکانيکي ، D جابجايي،T تنش مکانيکي، E ميدان الکتريکي، گذر دهي الکتريکي در تنش ثابت ، sE ثابت الاستيک در ميدان ثابت و Kثابت دي الکتريک مي باشد. مدار معادل صفحه مرکب پيزوالکتريک در شکل ٣ ديده ميشود.
با در نظر گرفتن مقاومت تلفات بزرگ : نسبت ورودي به خروجي بصورت معادله (٢)محاسبه خواهد شد.
پارامترهاي معادله (٢) با استفاده از روابط (٣) تا (٨) قابل محاسبه مي باشند [١٠].
از نظر فيزيکي در مورد فرکانس تشديد مکانيکي عبارت عمومي ١٠ وجود دارد [١١]. که در آن k سختي و m جرم موثر است
.
در روابط (٢) تا (٧)، P فشار آکوستيک ورودي، Cas خازن وقتي در سراسر پيزوالکتريک اتصال کوتاه شود، فاکتور انتقال ، Cef معادل خازن الکتريکي وقتي پيزوالکتريک براي حرکت آزاد است ، جرم آکوستيک ، dضريب کرنش پيزو الکتريک ، معادل خازن الکتريکي وقتي پيزوالکتريکجلوي حرکتش گرفته شود، re فرکانس تشديد صفحه ، ضخامت ماده پيزو، Ap مساحت ماده پيزوو k ضريب کوپلينگ پيزوالکتريک مي باشد بطوريکه :
