Устройства сбора энергии на основе МЭМС могут обеспечить «постоянную» энергию для небольших систем. Области применения включают медицинские, потребительские, автомобильные и экологические устройства. Беспроводные сенсорные сети (WSN), содержащие устройства сбора энергии на основе МЭМС (рис. 1, ниже), представляют особый интерес для мониторинга окружающей среды, здоровья и среды обитания на месте, где замена батарей затруднена или нецелесообразна.

Рисунок 1: Типичный узел WSN (Yole Development, конференция dMEMS, апрель 2012)

По мнению экспертов, сбор энергии с помощью пьезоэлектрических колебаний является одним из наиболее перспективных подходов на основе МЭМС. Успешная коммерциализация этих устройств будет зависеть от максимального получения энергии в заданных условиях окружающей среды.

Задачи проектирования Energy Harvester (Сборщика энергии)

На рисунке 1 показано исследование пьезоэлектрического устройства для сбора энергии с использованием CoventorMP. При изготовлении устройства сбора энергии на основе МЭМС, пьезоэлектрический преобразователь предназначен для максимального увеличения выработки электрической энергии. В примере, показанном на рисунке 1, плавающая масса соединяется с закрепленной массой с помощью подвесной балки (аналогично трамплину в бассейне). Пьезоэлектрическая пленка и два электродных слоя нанесены на верхнюю часть подвесной балки. Физическая деформация балки (путем смещения) вызовет ток на 2 электродах, расположенных на верхней части балки, благодаря наличию пьезоэлектрической пленки. На Рисунке 1 (крайний слева) показана
1-ая резонансная мода устройства сбора энергии на основе МЭМС. Резонансная мода возникает, когда пьезоэлектрический стек растягивается и отодвигается назад на частоте, близкой к собственному резонансу балочной структуры, так что можно эффективно получить большое перемещение (и больше энергии). В центре рисунка 1 редуцированная модель (ROM) МЭМС-устройства (большой блок) показана внутри модели схемы Cadence. Электрический отклик пьезоэлектрического устройства в его большой цепи показан крайним справа.  CoventorMP можно использовать для разработки устройства сбора энергии на основе МЭМС и прогнозирования его электрического отклика до тестирования на основе кремния.

Рисунок 1: слева направо. Слева: 1-ая резонансная мода устройства для сбора энергии. Центр: Проектирование цепи, включая компонент МЭМС. Справа: Анализ переходного процесса напряжения при выходном сопротивлении

Критерии проектирования пьезоэлектрического сборщика энергии (energy harvester) включают рабочую частоту, вырабатываемую энергию и энергию, передаваемую в схему управления. Рабочая частота может быть определена путем проведения модального анализа в обычном инструменте анализа методом конечных элементов (FEA). Однако генерируемая и передаваемая мощность сильно зависит от схемы управления питанием и должна быть смоделирована в замкнутом контуре. Таким образом, выбранная платформа для проектирования должна быть способна одновременно моделировать связанную пьезомеханику и электронику, чтобы быть полезной при проектировании устройства сбора энергии.