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Research on Low-frequency Multi-directional Piezoelectric Energy Harvester with Combined Cantilever Beam

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Chinese Journal of Electronics 2024年

作者： Qingying REN Yuxuan LIU debo wang College of Electronic and Optical Engineering Nanjing University of Posts and Telecommunications College of Integrated Circuit Science and Engineering Nanjing University of Posts and Telecommunications

In order to realize the collection and utilization of low-frequency vibration energy, a multi-directional piezoelectric energy harvester is proposed, which consists of a lower circular arc beam and an upper L-shaped *** the lower and upper beams can achieve multi-directional energy harvesting, and the upper L-shaped beam can also act as a mass block to reduce the resonant frequency. The structure of this energy harvester is optimized. Four different structures are studied with varying combination angles between the upper and lower layers to acquire data related to resonant frequency, vibration shape, stress distribution, open-circuit voltage, and output power. Additionally, the performance of each structure is comprehensively prepared and measured to verify its effectiveness. The optimal structure achieved a resonant frequency of 11 Hz and an output power of 57.1 μW at the optimal load resistance of 201 kΩ. Consequently, this work provides valuable reference for the study of low-frequency vibration energy harvesting technology.

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高性能多方向双圆弧形压电能量收集系统

仪器仪表学报 2024年第3期45卷 26-34页

作者：曹益恺王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210023

为了解决传统压电能量收集系统通频带窄、功率密度低的问题,本文采用线性多模态共振法,提出一种双圆弧悬臂梁内外反向拼接的压电能量收集系统。两根梁上各覆盖一个压电层,压电层之间串联连接。建立二自由度系统集总参数模型和机电耦合... 详细信息

为了解决传统压电能量收集系统通频带窄、功率密度低的问题,本文采用线性多模态共振法,提出一种双圆弧悬臂梁内外反向拼接的压电能量收集系统。两根梁上各覆盖一个压电层,压电层之间串联连接。建立二自由度系统集总参数模型和机电耦合模型来分析频率响应和输出性能。对比压电层弧度不同的压电能量收集系统的输出性能,根据测试结果,当弧度为0.5π时输出性能最佳。设置激励加速度为0.1 g,一阶模态下,谐振频率为82.19 Hz,开路电压为49.65 V,最大输出功率为3.74 mW;二阶模态下,谐振频率为119.14 Hz,开路电压为44.74 V,最大输出功率为3.54 mW。测试结果表明,该结构可有效拓宽通频带宽度至52 Hz,且功率密度高。该压电能量收集系统结构简单易于制备,工作频带宽,可在频率波动大的环境下供电,同时体积小、功率密度大,能在多方向激励下高效率收集能量,可应用于可穿戴设备、低功率设备等多个领域。

关键词：压电能量收集多模态多方向谐振频率功率密度

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GaAs基高性能MEMS微波功率检测芯片

微电子学 2024年第1期54卷 134-140页

作者：朱越王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210023

为了提高电容式MEMS微波功率检测芯片的性能,设计了一种GaAs基高性能MEMS微波功率传感芯片。通过建立双导固支梁电容模型,分析了传感芯片的传输特性、过载功率与灵敏度特性。在双导固支梁电容模型中提出了平行极板的两个等效条件;同时... 详细信息

为了提高电容式MEMS微波功率检测芯片的性能,设计了一种GaAs基高性能MEMS微波功率传感芯片。通过建立双导固支梁电容模型,分析了传感芯片的传输特性、过载功率与灵敏度特性。在双导固支梁电容模型中提出了平行极板的两个等效条件;同时提出了一种新的梁宽等效方式,解决了双梁结构等效梁宽的失配问题,减小了模型的相对误差。双导固支梁电容模型很好地解释了导向梁的厚长比与初始高度对传感器过载功率和灵敏度的影响。测试结果表明,双导固支梁MEMS微波功率传感芯片在200 mW输入功率内的灵敏度为14.3 fF/W,而灵敏度的理论值为13.5 fF/W,两者的相对误差仅5.6%。因此,该理论模型对固支梁MEMS微波功率传感芯片的设计具有一定的借鉴意义。

关键词： MEMS 功率检测芯片固支梁双梁等效梁宽

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基于多MEMS梁的微波功率检测芯片

微电子学 2024年第3期54卷 481-486页

作者：孙浩宇王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210023

为了优化MEMS微波功率检测芯片的微波性能,提高其制备的可靠性,建立了悬臂梁结构在线式MEMS微波功率检测芯片的S参数模型,研究了悬臂梁的数目对微波功率检测芯片微波性能的影响。对多梁结构微波功率检测芯片微波性能进行理论推导和仿真... 详细信息

为了优化MEMS微波功率检测芯片的微波性能,提高其制备的可靠性,建立了悬臂梁结构在线式MEMS微波功率检测芯片的S参数模型,研究了悬臂梁的数目对微波功率检测芯片微波性能的影响。对多梁结构微波功率检测芯片微波性能进行理论推导和仿真,制备了单梁、双梁结构MEMS微波功率检测芯片样品,并进行了测试。结果表明,在8~12 GHz的频率范围内,单梁结构的微波功率检测芯片回波损耗小于-27 dB,双梁结构的微波功率检测芯片回波损耗小于-18.5 dB,单梁、双梁微波功率检测芯片传输特性变化趋势与理论值基本一致,验证了S参数模型的正确性。

关键词：微机电系统功率检测芯片多梁 S参数

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基于压电能量收集技术的自供电系统设计

微纳电子技术 2024年第2期61卷 103-110页

作者：马超群王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210023

为了降低对传统电池的依赖,同时收集和利用汽车发动机的振动能量,设计了一种二自由度压电能量收集器和基于压电能量收集技术的自供电系统。系统主要由压电能量收集器、电源管理模块和加速度传感器组成。对压电能量收集器进行了建模、仿... 详细信息

为了降低对传统电池的依赖,同时收集和利用汽车发动机的振动能量,设计了一种二自由度压电能量收集器和基于压电能量收集技术的自供电系统。系统主要由压电能量收集器、电源管理模块和加速度传感器组成。对压电能量收集器进行了建模、仿真和测试,得到了压电能量收集器的谐振频率和输出电压,测试结果表明该压电能量收集器前两阶谐振频率分别为105.5和124.6 Hz,并且在95~128 Hz频率范围内输出电压均在2.7 V以上,频率带宽为33 Hz。测试系统的整体功能,测试结果表明电源管理模块LTC3588-1输出3.34 V的直流电压,加速度传感器ADXL335能够正常工作。实验验证了压电能量收集技术在汽车电子领域中的潜力和可行性,为汽车电子设备提供可持续的自供电解决方案。

关键词：压电能量收集加速度传感器二自由度谐振频率自供电系统

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一种高功率密度的直角螺旋压电能量收集器

微纳电子技术 2024年第3期61卷 93-100页

作者：刘宇轩马超群周佳成王德波南京邮电大学通信与信息工程学院南京210023 南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210023

为了实现振动环境下的高效能量收集,研制了一种高功率密度的直角螺旋悬臂梁压电能量收集器。分析了不同悬臂梁弧度的压电能量收集器的应力分布,研究了不同悬臂梁弧度的压电能量收集器的谐振频率、开路电压和输出功率。研究结果表明,随... 详细信息

为了实现振动环境下的高效能量收集,研制了一种高功率密度的直角螺旋悬臂梁压电能量收集器。分析了不同悬臂梁弧度的压电能量收集器的应力分布,研究了不同悬臂梁弧度的压电能量收集器的谐振频率、开路电压和输出功率。研究结果表明,随着悬臂梁弧度的增大,能量收集器谐振频率逐渐减小,但是内部阻抗逐渐增大,其中悬臂梁弧度为2πrad的直角螺旋能量收集器的输出性能最好。通过实验测试发现,在0.1g的加速度激励下,悬臂梁弧度为2πrad的直角螺旋能量收集器的谐振频率为265 Hz、开路电压为1.8 V,当负载为140 kΩ时,实现最大输出功率为5.79μW。与其他不同结构的压电能量收集器相比,该直角螺旋结构收集器在满足供电需求前提下,还具有较高的功率密度,在便携式微电子器件供电和工业设备故障检测方面有广阔的应用前景。

关键词：压电能量收集器直角螺旋悬臂梁谐振频率便携式设备

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Research on a Ka-Band MEMS Power Sensor Investigated with an MEMS Cantilever Beam

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Chinese Journal of Electronics 2020年第2期29卷 378-384页

作者： wang debo GU Xinfeng XIE Jiangcheng ZHANG Dong Laboratory of Modern Acoustics of MOE Nanjing University Nanjing University of Posts and Telecommunication

In this work, a novel high overload Ka-band power sensor with a Micro-electro-mechanical system(MEMS) cantilever beam is investigated in order to improve the measurement dynamic range and the *** fabrication of the Ka-band power sensor is divided into front side and back side processing with a combination of surface and bulk micromachining of Ga *** low-power measurement reveals that the terminating-type sensitivity is close to 0.081, 0.076 and0.072 m V/m W at 34, 35 and 36 GHz, respectively. The high-power measurement indicates that the capacitivetype sensitivity is around 4.9 f F/W at Ka-band. The overload power measurements show that the MEMS cantilever beam can improve the dynamic range by increasing the top end of the range into no less than200 m W, and enhance the bandwidth by increasing the top end of the range into no less than 36 GHz. There is an important reference value to achieve the high overload and wide frequency band for the thermoelectric microwave power sensors.

关键词： Power sensor Sensitivity Overload power Micro-electro-mechanical system(MEMS) Cantilever beam

Research on Measurement Accuracy of the Double-Channel Microwave Power Sensors Based on an MEMS Cantilever Beam

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Chinese Journal of Electronics 2019年第5期28卷 916-919页

作者： wang debo WU Lele LI Longfei DAI Ruiping Nanjing University of Posts and Telecommunication

A thermopile-based microwave power sensor and a double-channel microwave power sensor are compared in order to research the measurement accuracy of microwave power. The relationship of the displacement of MEMS cantilever beam with the measured microwave power is researched, and the reason that the microwave power consumed by the MEMS cantilever cannot be ignored at low power level is *** ratio of microwave power consumed by the MEMS cantilever with the microwave frequency is obtained,and the measured results show that the percentage is 51.96%@8 GHz, 52.31%@10 GHz and 55.11%@12 GHz on the average, respectively. There is an important reference value to achieve the accurate microwave power measurement of the double-channel microwave power sensors.

关键词： Thermopile-based power sensor MEMS cantilever Double-channel Measurement accuracy

A Novel Quarter-Circular Arc Multi-Direction Piezoelectric VEH and Its Theoretical Model

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Chinese Journal of Electronics 2021年第1期30卷 185-191页

作者： ZHU Yucheng HU Jiayang BAI Yunshan ZHAO Jiang JI Xincun wang debo Nanjing University of Posts and Telecommunication Department of Physics Army Logistics University of PLA

A quarter-circular arc piezoelectric Vibration energy harvester(VEH) based on nonlinear geometry is proposed with both bending moment and torque deformation mode, so it can effectively absorb multi-directional vibration at the same resonance frequency. The theoretical model of quarter-circular arc piezoelectric VEH is established to study the resonance frequency and the output voltage. In order to demonstrate multi-directional performance of the quarter-circular arc VEH, the stress distribution is compared with that of the traditional piezoelectric VEH in multi-direction vibration, and the output voltage of the circular arc piezoelectric VEH are relatively increased 267.26% in X-direction, 463.18% in Ydirection, and 17.24% in Z-direction. The external load is equipped in circuit to measure output power, whose matching resistance is around 21 k?, and the maximum output powers are 7.57 m W in X-direction, 2.39 m W in Y-direction, and 9.93 m W in Z-direction.

关键词： Numerical approximation and analysis Mathematical analysis Piezoelectric devices Energy harvesting Energy harvesting Quarter-circular arc Piezoelectric VEH Resonance frequency Output voltage Multi-directional