In this study, we proposed a design methodology for a piezoelectric energy-harvesting device optimized for maximal power generation at a designated frequency using topology optimization. The proposed methodology emphasizes the design of a unimorph-type piezoelectric energy harvester, wherein a piezoelectric film is affixed to a singular side of a silicon cantilever beam. Both the substrate and the piezoelectric film components underwent concurrent optimization. Constraints were imposed to ensure that the resultant design is amenable to microfabrication, with specific emphasis on the etchability of piezoelectric energy harvesters. Several numerical examples were provided to validate the efficacy of the proposed method. The results showed that the proposed method derives both the substrate and piezoelectric designs that maximize the electromechanical coupling coefficient and allows the eigenfrequency of the device and minimum output voltage to be set to the desired values. Furthermore, the proposed method can provide solutions that satisfy the cross-sectional shape, substrate-depend, and minimum output voltage constraints. The solutions obtained by the proposed method are manufacturable in the field of microfabrication.


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