MEMS piezoelectric vibrational energy harvesters and circuits for IoT applications

Alameh, Abdul-Hafiz (2019). MEMS piezoelectric vibrational energy harvesters and circuits for IoT applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In the Internet of Things (IoT) world, more and more sensor nodes are being deployed and more mobile power sources are required. Alternative solutions to batteries are the subjects of worldwide extended research. Among the possibilities is the harvesting of energy from the ambient. A novel energy harvesting system to power wireless sensor nodes is a necessity and inevitable path, with more and more market interest.

Microelectromechnaical systems (MEMS) based piezoelectric vibrational energy harvesters (PVEH) are considered in this thesis due to their good energy densities, conversion efficiency, suitability for miniaturization and CMOS integration. Cantilever beams are favored for their relatively high average strains, low frequencies and simplicity of fabrication. Proof masses are essential in micro scale devices in order to decrease the resonance frequency and increase the strain along the beam to increase the output power. In this thesis, the effects of proof mass geometry on piezoelectric vibration energy harvesters are studied. Different geometrical dimension ratios have significant impact on the resonance frequency, e.g., beam to mass lengths, and beam to mass widths. The responses of various prototypes are studied. Furthermore, the impact of geometry on the performance of cantilever-based PVEH is investigated. Namely, rectangular and trapezoidal T-shaped designs are fabricated and tested. Optimized cross-shaped geometries are fabricated using a commercial technology PiezoMUMPs process from MEMSCAP. They are characterized for their resonant frequency, strain distribution and output power.

The output of an energy harvester is not directly suited as a power supply for circuits because of variations in its power and voltage over time, therefore a power management circuit is required. The circuit meets the requirements of responding to an input voltage that varies with the ambient conditions to generate a regulated output voltage, and the ability to power multiple outputs from a fixed input voltage. In this thesis, new design architectures for a reconfigurable circuit are considered. A charge pump which modifies dynamically the number of stages to generate a plurality of voltage levels has been designed and fabricated using a CMOS 0.13 μm technology. This provides biasing voltages for electrostatic MEMS devices. Electrostatic MEMS require relatively high and variable actuation voltages and the fabricated circuit serves this goal and attains a measured maximum output voltage of 10.1 V from a 1.2 V supply.

In this thesis, design recommendations are given and MEMS piezoelectric harvesters are implemented and validated through fabrications. T-shaped harvesters bring improvements over cantilever designs, namely the trapezoidal T-shaped structures. A cross-shaped design has the advantage of utilizing four beams and the proposed proof mass improves the performance significantly. A cross-coupled circuit rectifies the output efficiently towards an optimal energy harvesting solution.

Titre traduit

MEMS piézoélectriques pour la récupération d’énergie vibratoire et circuits pour l’internet des objets

Résumé traduit

Dans le monde de l'Internet des objets (IoT), de plus en plus de capteurs sont déployés et par conséquent il est nécessaire de développer de nouvelles sources d’énergie. Ainsi les solutions alternatives aux batteries font l'objet de recherches approfondies dans le monde entier. Parmi les solutions les plus prometteuses, nous pouvons citer la récupération de l'énergie déjà présente dans l’environnement. Un nouveau système de récupération d'énergie pour alimenter les noeuds de capteurs sans fil est une nécessité pour alimenter ces noeuds qui sont témoins d'un marché en croissance constante.

Les systèmes microélectromécaniques (MEMS) à base de capteurs piézoélectriques d'énergie vibratoire (PVEH) sont considérés en raison de leur bonne densité d'énergie, de l’efficacité de la conversion énergétique effectué, de leur aptitude à la miniaturisation et de leur compatibilité avec les procédés CMOS. Les structures de type poutres sont privilégiées pour leurs déformations moyennes relativement élevées, leurs basses fréquences et leur simplicité de fabrication. L’utilisation de masses est essentielle dans les dispositifs à l’échelle microscopique afin de diminuer la fréquence de résonance et d'augmenter la tension pour augmenter la puissance de sortie.

Dans cette thèse, les effets de la géométrie de la masse sur les capteurs piézoélectriques d'énergie vibratoire (PVEH) sont étudiés. Différents rapports de dimensions géométriques ont un impact significatif sur la fréquence de résonance, par exemple, la longueur d‘une poutre par rapport à la masse et la largeur de celle-ci par rapport à la masse. Les réponses des différents prototypes sont étudiées. De plus, l'impact de la géométrie sur la performance des PVEH est étudié. À savoir, les conceptions rectangulaires et trapézoïdales en forme de T sont fabriquées et testées. Les géométries optimisées en forme de croix sont fabriquées à l'aide d'une technologie commerciale PiezoMUMPs de MEMSCAP. Ils se caractérisent par leur fréquence de résonance, leur répartition des contraintes et leur puissance de sortie.

Un capteur d'énergie n'est pas utilisable directement comme une source d'alimentation pour les circuits en raison des variations de sa puissance et de sa tension dans le temps, l’utilisation d’un circuit de gestion de puissance est nécessaire. Le circuit répond aux exigences de réponse à une tension d'entrée qui varie avec les conditions ambiantes pour générer une tension de sortie régulée. Ce circuit doit avoir la capacité d'alimenter plusieurs sorties à partir d'une tension d'entrée fixe. Dans cette thèse, de nouvelles architectures de circuit reconfigurable sont envisagées. Une pompe de charge qui modifie dynamiquement le nombre d'étages pour générer plusieurs de niveaux de tension a été conçue et fabriquée en utilisant une technologie CMOS 0,13 μm. Celle-ci est capable de fournir des tensions de polarisation pour les dispositifs MEMS électrostatiques. Les MEMS électrostatiques nécessitent des tensions de commande relativement élevées et variables et le circuit fabriqué sert cet objectif et atteint une tension de sortie maximale mesurée de 10,1 V avec une alimentation de 1,2 V.

Dans cette thèse, des recommandations de conception sont données et des récupérateurs d’énergie piézoélectriques MEMS ont été mis en oeuvre et validés par des étapes de simulation, fabrication et caractérisation. Les récupérateurs d’énergie en forme de T apportent des améliorations par rapport à une structure rectangulaire. Ces améliorations sont d’autant plus importantes lors de l’utilisation d’une structure trapézoïdales en forme de T. Une architecture en forme de croix a l'avantage d'utiliser quatre poutres et une seule masse centrale, cela permet d’améliorer considérablement les performances. Un circuit à couplage croisé permet le redressement de la sortie dans le but d’obtenir une solution optimale pour la récupération d'énergie.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 141-152).
Mots-clés libres:	transducteur piézoélectrique, récupération d'énergie, fréquence, puissance, pompe de charge, reconfigurable
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nabki, Frédéric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	17 juin 2019 16:17
Dernière modification:	17 juin 2019 16:17
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2318

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