The document discusses experimental investigations of piezoelectric energy harvesting systems. It compares four different piezoelectric materials and configurations: (1) PZT, (2) PZT+IDE, (3) MFC, and (4) different system parameters. Finite element analysis was used to simulate the systems and optimize their designs. Experimental results show that voltage output, power density, and efficiency vary based on the material, configuration, and operating frequency/strain levels. PZT+IDE and MFC generated higher voltage outputs than PZT under similar conditions.

1. 葉
論
量
Experimental Investigation of Piezoelectric Energy
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
Harvesting System
羅
年 六

2. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• 論
• 量
• 量 量
• 論 來

3. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
論

4. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
‧
‧
‧
‧ 率
‧ 量 量

5. 量
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
‧利 料 量
量
‧ 料 料
‧ 料
‧ 量
‧ 料 易

6. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
(a) 狀 [PZT] (b) 狀 + [PZT+IDE]
(c) 狀 + [MFC] (d) 狀 + [AFC]

7. 量
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
量
路

8. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
•
• 量 參數
• 量
• 量 來 量
參數

9. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
量

10. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
Z-3 D3 = d 31T1
F j ωt d 31 FL jωt
T= e Q = DA = e
2
bh h
1
dQ d 31 F L ω
I0 = =
dt h
z-3
E3
V0 =
Q
=
d 31 F ε Piezo A
C Piezo =
x-1 C Piezo b ε Piezo h
2
d 31 F 2 C Piezo ω
P=V×I= 2
b 2 ε Piezo
力Fejwt

11. ( )
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
1 D 3 = d 33 T1
CPiezo w d 33 F CPiezo w jωt
A= Q = DA = e
x-3 ε Piezo h b ε Piezo
2
d 33 F C Piezo w
I0 = ω
h bε Piezo
z-1
d 33 F w
V0 = ω
E3 x-3 h bε Piezo
2
d 33 F2C Piezo w 2 ω
P= 2
h 2 b 2 ε Piezo
力F

12. 量 參數
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• 量
流
Cpiezo 力 率 不
• 來 ,
Cpiezo
• 量 參數 : 力

13. 量
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
ACX QP10Ni PZT+IDE
M8528P1 MFC
ACX QP25W PZT
ACX QP25W PZT
A B

14. 量
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
110 mm
50.8 mm 50.8 mm
Aluminum plate
38.1 mm
PZT+IDE
150 mm
150 mm
38.1 mm
45 mm
PZT PZT MFC Aluminum plate
30.2 mm
Strain gauge Strain gauge
PZT
Strain gauge
52.1 mm
300 mm 300 mm
A B
PZT PZT+IDE MFC
(m) 0.3 0.0508 0.0521 0.11
(m) 0.15 0.0381 0.0302 0.045
(m) 0.00005 0.000508 0.00038 0.0003
數 (Pa) 7.00E+10 6.90E+10 6.90E+10 3.40E+10
料 度 (Kg/m3) 2700 7000 7000 5500
0.33 0.31 0.31 0.33

15. 量
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011

16. 量
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
Piezoelectric element
Dynamic Signal Cantilever plate
Input
Analyzer Laser
Sensor
Output
Amplifier Electromagnetic
Shaker

17. 量
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
量
Model A 1
1 5.5 Hz Frequency response Model B
Frequency response
21.8 Hz
37.6 HZ
0.1 0.1
Amplitude
Amplitude
0.01 0.01
0.001
0 10 20 30 40 50 0.001
2 12 22 32 42 52
Frequency (Hz) Frequency (Hz)
A 率 B 率

18. ANSYS
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
Model A PZT Model B PZT PZT+IDE MFC
shell63 solid5 shell63 solid5 solid5 solid5
數 209 54 數 320 144 166 72

19. ANSYS
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
Model A 1st bending mode 5.1Hz Model B 1st bending mode 5.9Hz
Model A 1st Twist mode 21.2Hz Model B 1st Twist mode 24.6Hz

20. 率
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
Model A ANSYS 異 Model B ANSYS 異
5.5 5.1 7 6.9 5.9 14
21.8 21.2 2.3 26 24.6 5.3
• 率 異來
異
略
更 了 異

21. 量
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
Piezoelectric element
Cantilever plate
Dynamic Signal Input
Charge
Analyzer Amplifier
Output
Amplifier Electromagnetic
Shaker

22. 量
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 量
1
5.5 Hz
37.6 Hz
0.1
Amplitude
+ Nodal line +
0.01 _ _
1st twist mode
0.001
2 8 14 20 26 32 38 44 50
Frequency (Hz)
A 率

23. 量 參數 量
參數 力
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
量 量
Ip Rp Cp RL
路 Piezoelectric Load
料 路 量 路

24. 量 參數 量
參數 力
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
量 量
Piezoelectric element AC
Sensor Strain
Computer
Interface gauge
R
Cantilever plate
Dynamic Signal
Analyzer
Electromagnetic
Amplifier Shaker

25. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
力
量 量
2.2
率(HZ) Voltage (V) 2.0
PZT
5 Hz
1.0E-05 0.488 1.8
10 Hz
2.0E-05 0.943 1.6
5
Voltage (V)
3.0E-05 1.38 1.4
4.0E-05 1.82 1.2
1.0E-05 0.5545 1.0
2.0E-05 1.14 0.8
10
3.0E-05 1.7 0.6
4.0E-05 2.18 0.4
10 15 20 25 30 35 40
Strain (µε)

26. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
量
率(HZ)
(V) (V)
1.0E-05 0.488 0.0213
2.0E-05 0.943 0.0412
5
3.0E-05 1.38 0.0597
4.0E-05 1.82 0.0791
1.0E-05 0.5545 0.0244
2.0E-05 1.14 0.0502
10
3.0E-05 1.7 0.0746
4.0E-05 2.18 0.0955

27. 量 參數 量
參數
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
量
率(HZ)
1.0E-05 7.1E-07
2.0E-05 1.4E-06
5
3.0E-05 2.2E-06
4.0E-05 2.8E-06
1.0E-05 1.1E-06
2.0E-05 1.8E-06
10
3.0E-05 2.8E-06
4.0E-05 3.2E-06
• 率 率(10HZ)
力 率 量
率 率

28. 量 參數 量
參數
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
量
8
7 PZT (d31)
PTZ PTZ+IDE MFC PZT+IDE (d33)
MFC (d33)
Voltage density (V/mm3)
6
(V) (V) (V)
5
5.0E-06 0.485 0.552 1.81
4
1.0E-05 0.968 1.02 3.56
3
1.5E-05 1.44 1.527 5.35 2
2.0E-05 1.89 2.02 7.05 1
0
0 5 10 15 20
Strain (µε)

29. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
量
0.01
度
PZT PZT+IDE MFC 0.009 PZT (d31)
PZT+IDE (d33)
3
Volume (mm ) 194.28 240.25 714 0.008
Voltage density (V/mm )
MFC (d33)
3
0.007
0.006
PZT PZT+IDE MFC 0.005
度 度 度 0.004
(V/ mm3) (V/ mm3) (V/ mm3) 0.003
5.0E-06 0.0025 0.0023 0.0025 0.002
0.001
1.0E-05 0.005 0.0042 0.005
0
0 5 10 15 20
1.5E-05 0.0074 0.0064 0.0075
Strain (µε)
2.0E-05 0.0097 0.0084 0.0098
度

30. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
流量
1
RL
VR =( × IP ) × R L
L
1 1 1
Ip Rp Cp RL + +
RP 1 RL
jωC P
Piezoelectric Load R LR P
VR = IP
( R P + R L ) + ( ωC P R L R P )
2 2
L
量 路

31. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
+q +q +q +q +q
Electrodes
PZT
V dg PZT
Electrodes
-q
In te rd ig ita te d
E le c tro d e s
PZT PZT+IDE

32. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
-q -q -q ACX QP25W ACX QP10NI M8528P1
+q +q +q +q
(mm2) 1529.7 227.36 43
(mm) 0.127 1.524 0.5
數 1800 1800 不
P ie z o fib e r
• d31 ACX QP25W不
兩 d33
In terd ig ita te d
兩 d33
E le c tro d e s
便
MFC

33. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
量
0.6 4
率 率
0.5 QP25W QP10ni
3
0.4
Capacitor (nF)
2
Capacitor (uF)
0.3
0.2
1
0.1
0 0
-0.1
-1
-0.2
-0.3 -2
0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70
Frequency (K Hz) Frequency (K Hz)
PZT 量 PZT+IDE 量

34. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
量
11
率
10 MFC 8528 P1
ACX QP25W ACX QP10NI M8528P1
9
Capactitance (nF) 140 1.3 7
Capacitor (nF)
8
7
6
d31 PZT QP25W
5
兩 d33
4
行
3
行
0 10 20 30 40
Frequency (K Hz)
50 60 70
數 行
MFC 量

35. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
0.5
量 0.45
連 不 量 0.4
聯立 便
Output Voltage (V)
0.35
流 0.3
0.25
0.2
R LR P 0.15
VR = IP 0.1
PZT
( R P + R L ) + ( ωC P R L R P )
2 2
L Theoretical
0.05 Measured
0
0.00E+00 5.00E+05 1.00E+06 1.50E+06 2.00E+06
Load Resistance (Ohms)
PZT

36. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
0.6 2
1.8
0.5
1.6
1.4
0.4
Voltage (V)
Voltage (V)
1.2
0.3 1
0.8
0.2
PZT+IDE 0.6
Theoretical MFC
Measured 0.4 Theoretical
0.1
Measured
0.2
0 0
0 1E+007 2E+007 3E+007 4E+007 5E+007 6E+007 0.00E+00 5.00E+06 1.00E+07 1.50E+07 2.00E+07 2.50E+07 3.00E+07 3.50E+07 4.00E+07
Load Resistance (Ohms) Load Resistance (Ohms)
PZT+IDE MFC

37. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
量 流
3E-005
流 度
PTZ PTZ+IDE MFC PZT (d31)
PZT+IDE (d33)
2.5E-005
流 (A) 流(A) 流 (A) MFC (d33)
Current density (A/mm )
3
2E-005
5.0E-06 6.48E-06 6.25E-07 7.10E-06
1.0E-05 1.28E-05 1.15E-06 1.40E-05 1.5E-005
1.5E-05 1.91E-05 1.73E-06 2.10E-05 1E-005
2.0E-05 2.50E-05 2.29E-06 2.77E-05 5E-006
0
0 5 10 15 20
Strain ( µε)
流

38. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
量 流 度
1.4E-007
流 度
PZT (d31)
1.2E-007 PZT+IDE (d33)
ACX QP25W ACX QP10NI M8528P1 MFC (d33)
Current density (A/mm )
3
1E-007
流 度(A/ mm3) 流 度(A/ mm3) 流 度(A/ mm3)
5.0E-06 3.34E-08 2.60E-09 9.90E-09 8E-008
1.0E-05 6.59E-08 4.79E-09 1.96E-08 6E-008
1.5E-05 9.80E-08 7.20E-09 2.94E-08 4E-008
2.0E-05 1.29E-07 9.50E-09 3.88E-08 2E-008
0
0 5 10 15 20
Strain ( µε)
流 度

39. 量 參數 量
參數
量
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 率量
0.3
率 度
PZT PZT+IDE MFC 0.25
PZT (d31)
PZT+IDE (d33)
Power density ( µW/mm 3)
率 度 率 度 率 度 MFC (d33)
(µW/ mm3) (µW/ mm3) (µW/ mm3) 0.2
5.0E-06 1.63E-02 1.44E-03 1.80E-02 0.15
1.0E-05 6.38E-02 4.88E-03 6.98E-02
0.1
1.5E-05 1.42E-01 1.10E-02 1.57E-01
0.05
2.0E-05 2.43E-01 1.93E-02 2.74E-01
0
0 5 10 15 20
Strain ( µε)
率 度

40. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
量 率 率量
1.6E-006 9E-008
PZT 率
1.4E-006 Theoretical 8E-008
Measured
1.2E-006 7E-008
6E-008
1E-006
Power (w)
Power (w)
5E-008
8E-007
4E-008
6E-007
3E-008
4E-007
2E-008 PZT+IDE 率
2E-007 Theoretical
80 K Ohms 1E-008 Measured
0.73 M Ohms
0 0
0 200000 400000 600000 800000 1E+006 0 500000 1E+006 1.5E+006 2E+006 2.5E+006 3E+006 3.5E+006 4E+006
Load Resistance (Ohms) Load Resistance (Ohms)
PZT 率 PZT+IDE 率
RP
PR = ( IP )2 × R L
(R P + R L ) 2 + (ωC P R L R P ) 2
L

41. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
量 率量
4E-006
MFC 率 率(W) 率(W) 率
3.5E-006 Theoretical
Measured
3E-006
PZT 3.16E-06 1.53E-06 48
2.5E-006 PZT+IDE 3.45E-07 8.70E-08 25.3
Power (w)
2E-006 MFC 1.29E-05 3.56E-06 27.7
1.5E-006
1E-006 率 度 率 度
5E-007
(µW/ mm3) ( W/ mm3)
0.36 M Ohms PZT 1.63E-02 7.88E-03
0
0 500000 1E+006 1.5E+006 2E+006 PZT+IDE 1.44E-03 3.64E-04
Load Resistance (Ohms) MFC 1.80E-02 4.99E-03
MFC 率
• 了 流 路 流 率
率 降

42. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
量
Strain
gauge
PZT AC DC
濾
流
Cantilever plate
Dynamic Signal
Analyzer
Electromagnetic
Amplifier Shaker
量 來
率(15HZ) 率(1-100HZ) 量 率

43. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
I C RL
Cp
Piezoelectric Rectifier Capacitor Load
量 路

44. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
量 量
160 450
PZT (ACX QP25W) 量 ACX QP10NI 量
140 率 Experiment 400 率 Experiment
率 Experiment 率 Experiment
350
120
300
Voltage (mv)
Voltage (mv)
100
250
80
200
60
150
40
100
20 50
0 0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Time(sec) Time (sec)
PZT 量 PZT+IDE 量

45. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
量 量
1400
MFC voltage measure • 了
率 Experiment
1200 率 Experiment 了
1000
Voltage (mv)
Vc ( t ) = X T ( t ) + X SS
800
600
400 −t
200
X T ( t ) = (X 0 − τF)e τ
X SS ( t ) = τF = X ∞
0
0 5000 10000 15000 20000
Time (sec)
MFC 量

46. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
數
160
−t PZT (ACX QP25W) 量
X out ( t ) = KA in (1 − e )
τ 140 率 Experiment
率 Time constant
120
⎛ X (t) ⎞ − t
Voltage (mv)
100
ln⎜1 − out ⎟ =
⎜
⎝ KA IN ⎟ τ
⎠
80
60
40
KAin 20
0
Xout 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
Time(sec)
PZT 量

47. 量 參數 量
參數 1011
0011 0010 1010 1101 0001 0100
450
1400
ACX QP10NI 量 M8528P1 量
400 率 Experiment 率 Experiment
率 Time constant 1200 率 Time constant
350
1000
300
Voltage (mv)
Voltage (mv)
250 800
200
600
150
400
100
50 200
0 0
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 0 5000 10000 15000 20000
Time (sec) Time (sec)
PZT+IDE 量 MFC 量
PZT PZT+IDE MFC
數τ 3220 7794 3495

48. 論
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
來

49. 論
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• 量 量
:
• 論
率
•
更

50. 論
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• 量 數
流 率 率
: 量
不
不
度 流 度 度 度
PZT 0 +
PZT+IDE - - - -
MFC + 0 + 0
率

51. 論
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
率 量 率
率
率 量 率
PZT MFC
量 率 量
PZT + -
PZT+IDE -
MFC 0 +

52. 來
0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
• 更 量 參數
不
• 立 量 數
• 立 量 路

53. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011