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Piezoelectric/Ferromagnetic thin-film integration for wide-band MEMS energy harvesting devices

用于宽带 MEMS 能量收集设备的压电/铁磁薄膜集成

基本信息

批准号：
20H02120
负责人：
神田健介
金额：
$ 11.32万
依托单位：
University of Hyogo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

圧電PZT薄膜による振動発電素子にNdFeB薄膜磁石を集積化させ，広帯域な振動発電素子を実現することを目的として研究を行っている。前年度までにPZT薄膜とNdFeB薄膜4インチSiウエハ上に集積するバッチプロセスを確立し，それぞれの薄膜がその特性を損なうことなく機能することを確認している。今年度は，実際のデバイス設計を行うため，磁石薄膜を組み込んだバネマスダンパ系の動作について，有限要素法によって定式化した磁気力を組み込んだ運動方程式ベースの数値解析手法を確立した。これを用いた広帯域化設計を現在実施中である。関連して，非線形な振動特性を持つMEMS構造体の周波数応答を事前予測することは，本研究のみならず幅広い応用において非常に重要であるが，有限要素法による大変形過渡解析は非常に計算コストが高く，気軽に利用できる状況に無いのが現状である。そこでその簡易的な予測手法を考案した。具体的な手法は，静的な有限要素解析から非線形な復元力項を抽出し，これを数値計算に入力するものである。これについては国内学会や学術誌において報告済みである。一方で，本研究のもう一つの応用として，磁石と圧電材料を用いた無線電力伝送にも着目しており，圧電MEMS振動発電素子にバルク磁石を貼り付けた基礎実験を行った。5cmの距離において100μW以上の電力伝送に成功し，人体への影響が小さい低周波磁界による無線電力伝送手法としての有用性を確認した。

This paper aims to study the integration of piezoelectric PZT thin films and NdFeB thin film magnets, and the realization of piezoelectric PZT thin films and NdFeB thin film magnets. In the past year, PZT thin films and NdFeB thin films have been established on the basis of their properties and functions. In this year, the design of magnetic films is carried out in practice, and the finite element method is used to formulate the magnetic force and the equation of motion. This is the first time I've ever been able to do this. The frequency response of MEMS structures is predicted in advance due to the nonlinear vibration characteristics. In this study, it is very important to analyze the amplitude and amplitude of MEMS structures. The finite element method is very important to analyze the large transition. A simple prediction method is proposed. Specific methods include static finite element analysis, extraction of non-linear complex force terms, and numerical calculation of input forces. This is the first time that the Chinese Academy of Sciences has published a report on this issue. On the other hand, this research has been carried out in a variety of applications, such as the application of magnets and piezoelectric materials, wireless power transmission, and the application of piezoelectric MEMS vibration elements. The successful transmission of power of more than 100μW at a distance of 5 cm confirms the usefulness of wireless power transmission methods in the low-frequency magnetic field where the impact on the human body is small.