طراحي الكترودهاي انگشتي متداخل با فاصله متغير در طول تير براي بهبود عملكرد نانوژنراتورهاي يك‌سرگيردار بر اساس لايه نازك پيزوالكتريك

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

يكي از وسايل برداشت‌كننده‌ انرژي از ارتعاشات محيط در مقياس كوچك، طرح نانوژنراتور تير يك‌سر گيردار با الكترودهاي انگشتي متداخل و جرم انتهايي است كه بر اساس كرنش نانولايه‌ پيزوالكتريك روي سطح تير، انرژي الكتريكي با ولتاژ بالا توليد مي‌كند. به دليل يكسان‌نبودن كرنش در طول تير، پتانسيل الكتريكي متغير در الكترودها ايجاد شده و پديده حذف ولتاژ وابسته به شكل مود رخ مي‌دهد. در اين مقاله، با تغيير فاصله بين الكترودها به نسبت عكس كرنش طولي در لايه پيزوالكتريك، ولتاژ ايجادشده در الكترودهاي هم‌نام با يكديگر برابر شده و از حذف ولتاژ و كاهش توان خروجي جلوگيري شده است. براي مدل‌سازي نانوژنراتور، از تئوري تير اويلر- برنولي استفاده شده و با استفاده از روش انرژي، معادله ديفرانسيل وابسته به زمان مسئله استخراج شده است. سپس، روش رانگ-كوتا مرتبه 4 جهت حل معادلات استفاده شده و دامنه ولتاژ و توان الكتريكي خروجي نانوژنراتور تحت تحريك پايه استخراج شده است. نتايج عددي نشان مي‌دهد، با تغيير تطبيقي فاصله الكترودها، مي‌توان تا 36% به ولتاژ توليد شده در حالت مقاومت الكتريكي بهينه و تا 40% به ولتاژ مدار باز افزود. كوپلينگ سيستم نيز تا 10% افزايش يافت. با ارائه نتايج عددي نشان داده شد كه كاهش پهناي الكترودها باعث افزايش ولتاژ نانوژنراتور مي‌شود. همچنين افزايش تعداد الكترودها منجر به كاهش ولتاژ و افزايش جريان الكتريكي خروجي مي‌شود.

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.