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

Abstract

یکی از وسایل برداشت‌کننده‌ انرژی از ارتعاشات محیط در مقیاس کوچک، طرح نانوژنراتور تیر یک‌سر گیردار با الکترودهای انگشتی متداخل (IDE) و جرم انتهایی است که بر اساس کرنش نانولایه‌ پیزوالکتریک روی سطح تیر، انرژی الکتریکی با ولتاژ بالا تولید می‌کند. به دلیل یکسان نبودن کرنش در طول تیر، پتانسیل الکتریکی متغیر در الکترودها ایجاد شده و پدیده حذف ولتاژ وابسته به شکل مود (MSVC) رخ می‌دهد. در این مقاله، با تغییر فاصله بین الکترودها به نسبت عکس کرنش طولی در لایه پیزوالکتریک، ولتاژ ایجاد شده 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.