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Erschienen in: Microsystem Technologies 1/2021

13.06.2020 | Technical Paper

Piezoelectric vibration energy harvester with tapered substrate thickness for uniform stress

verfasst von: Sushanta Kundu, Harshal B. Nemade

Erschienen in: Microsystem Technologies | Ausgabe 1/2021

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Abstract

This paper presents modification in the thickness profile of bimorph cantilever type piezoelectric vibration energy harvester (PVEH) to achieve uniform stress along the beam length. The thickness profile is obtained by varying the thickness of substrate layer and keeping the thickness of piezoelectric layers constant. Analytical expressions for the cantilever beam displacement, stress on the beam and generated voltage are derived and solved for sinusoidal input excitations. The results from the analytical expressions are validated with that of the finite element (FE) analysis of an identical PVEH. The generated power and stress distribution in the proposed PVEH are compared with that of an equivalent conventional PVEH of uniform thickness. Compared to the conventional PVEH, in the proposed PVEH the generated power is 20% higher for an input acceleration of 0.2g, and the stress on the proposed device is found to be uniformly distributed with the peak stress value reduced significantly by 46%.

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Literatur
Zurück zum Zitat Blake A (1989) Practical stress analysis in engineering design, 2nd edn. CRC Press, New York, pp 212–214 Blake A (1989) Practical stress analysis in engineering design, 2nd edn. CRC Press, New York, pp 212–214
Zurück zum Zitat Berlincourt D, Krueger H, Near C (2000) Properties of Morgan electro ceramic ceramics. Tech Publ TP-226, pp 1–12 Berlincourt D, Krueger H, Near C (2000) Properties of Morgan electro ceramic ceramics. Tech Publ TP-226, pp 1–12
Zurück zum Zitat Mehraeen S, Jagannathan S, Corzine KA (2010) Energy harvesting from vibration with alternate scavenging circuitry and tapered cantilever beam. IEEE Trans Ind Elect 57:820–830CrossRef Mehraeen S, Jagannathan S, Corzine KA (2010) Energy harvesting from vibration with alternate scavenging circuitry and tapered cantilever beam. IEEE Trans Ind Elect 57:820–830CrossRef
Zurück zum Zitat Zhu M, Worthington E, Njuguna J (2009) Analyses of power output of piezoelectric energy-harvesting devices directly connected to a load resistor using a coupled piezoelectric-circuit finite element method. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 56:1309–1318. https://doi.org/10.1109/TUFFC.2009.1187CrossRef Zhu M, Worthington E, Njuguna J (2009) Analyses of power output of piezoelectric energy-harvesting devices directly connected to a load resistor using a coupled piezoelectric-circuit finite element method. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 56:1309–1318. https://​doi.​org/​10.​1109/​TUFFC.​2009.​1187CrossRef
Metadaten
Titel
Piezoelectric vibration energy harvester with tapered substrate thickness for uniform stress
verfasst von
Sushanta Kundu
Harshal B. Nemade
Publikationsdatum
13.06.2020
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in
Microsystem Technologies / Ausgabe 1/2021
Print ISSN: 0946-7076
Elektronische ISSN: 1432-1858
DOI
https://doi.org/10.1007/s00542-020-04922-6

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