MEMS能量采集器的设计与仿真

压电振动能量采集器的设计与仿真

基于mems的能量采集器有潜力为小型系统提供“永久”动力。应用领域包括医疗、消费、汽车和环境设备。包含基于mems的能量采集器的无线传感器网络(WSN)(见下图1)对于现场环境、健康和习惯监测特别有意义,因为电池很难或不实用。

一个典型的WSN节点(Yole Development, dMEMS Conference 2012 4月)

图1:一个典型的WSN节点(Yole Development, dMEMS Conference April 2012)

专家认为,压电振动能量采集是最有前途的mems方法之一。这些设备的成功商业化将取决于在目标环境条件下最大限度地获取能量。

设计的挑战

压电能量采集器的设计标准包括操作频率、产生的功率和转移到管理电路的功率。操作频率可以通过在常规有限元分析(FEA)工具中运行模态分析来确定。然而,产生和传输的功率高度依赖于功率管理电路,必须在闭环电路中进行模拟。因此,所选择的设计平台必须能够同时模拟压电力学和电子学的耦合,以便用于能量收割机的设计。

新的混合方法

1.MEMS快速设计探索

Coventor的设计流程首先是建立压电振动收割机的参数化模型微机电系统+.设计师在三维图形环境中工作,通过组装高阶、mems特定的有限元(压电机械壳体)来创建参数化模型。每个元件都与MEMS工艺描述和材料数据库相连,这样压电材料的特性和电极就可以自动分配。高阶元素提供了设备物理的精确数学描述,并包括这些设备中固有的非线性力学。此外,这些高阶组件已经专门制作,以在系统和电路建模环境中,如MATLAB,进行非常快速的模拟®,仿真软件®和节奏®幽灵®.在设备级工作的工程师一般更喜欢使用MATLAB和Simulink,而在IC和系统设计的工程师更喜欢在Cadence平台上工作。

使用微机电系统+高阶有限元提供了几个好处。首先,设计团队不再需要花费宝贵的时间手工制作FEA和/或分析表达式的简化顺序模型。第二,微机电系统+模型包括非线性的效果,不像手工制作的模型通常是线性的。MEMS中包含可能影响器件性能的非线性效应+模型,减少了不得不在开发的最后阶段重新设计设备的机会。

能量收割机的通风口设计流程

图2:能量收割机的Coventor设计流程

2.用Cadence进行电源管理和电路设计

MEMS +模型可以导入到Cadence Virtuoso®用几下鼠标点击环境,并放置在一个包括调理电路的原理图中。在《Cadence Spectre》中可以模拟联合收割机和电路。收割机参数和电路参数可以同时改变,以优化设备性能。例如,设计师可以调整收割机的尺寸和电阻负载,以获得从收割机到调节电路的最大功率传输。还可以对不同的电路进行测试,以达到预期的性能要求。

Cadence Virtuoso电路原理图和光谱分析用图表显示功率转移到电阻器负载与电阻器的值

图3:Cadence Virtuoso电路原理图和Spectre分析,用图表显示功率转移到桥负载电阻作为电阻值的函数

3.用有限元法进行验证和最终分析

进一步的详细建模可以使用CoventorWare的场求解器完成。例如,可以审查设计的高应力区域,可能导致过载失效,由于机械冲击。气体阻尼系数也可以用bob app官方下载 包括在微机电系统+模型可以更准确地预测q因子。必要时,模拟结果来自微机电系统+和CoventorWare可以相互验证,以提供更大的信心前磁带出来。例如,在线性电阻负载下的闭环谐波响应可以在这两种工具中模拟和比较。

气体阻尼力作用在振动收割机上的仿真

图4:气体阻尼力作用在振动收割机上的仿真

一个完整的平台

Coventor的压电能量收集联合平台微机电系统+bob app官方下载 提供完整的设计解决方案。CoventorWare平台解决了传统有限元分析无法解决的耦合和多域物理问题。这种混合方法有许多优点。它允许协同设计和协同仿真能量收集装置与调理电路。模型是参数化和快速模拟的,使设计和过程变化的快速探索变得实用。消除了从有限元数据和/或解析表达式创建降阶模型的耗时过程,得到的模型具有很高的准确性。

此外,该平台集成了一流的模拟器(如Cadence Spectre和/或Matlab/Simulink)和Coventor的mems特定模型,提供了精度和容量的最佳组合。Cadence和Mathworks将继续在其平台上提高速度和容量,而CoventorMP将继续在我们的MEMS+库中提供额外的(和改进的)高阶元素。这些公司的个人改进为MEMS设计人员提供了一个高度集成和高效的MEMS设计平台。

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