Integration of resonant N/MEMS for energy harvesting from ambient vibrations

• Autores: Gonzalo Murillo Rodriguez
• Directores de la Tesis: Gabriel Abadal Berini (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2011
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Christophe Serre (presid.), Eduard Alarcon Cot (secret.), Eric E. Thomson (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología electrónica
    • Tecnología energética
      • Generadores de energía
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TDX  DDD  TESEO 
• Resumen

  • En la actualidad, el propósito de ahorrar energía y encontrar nuevas fuentes de energía renovables se ha convertido en un tema candente. Las fuentes de energía ambiental son la mejor solución para obtener energía gratis en prácticamente cualquier lugar. Fuentes de energía mecánica y, en particular, las vibraciones son una magnifica opción para recuperar una cantidad pequeña, pero interminable, de energía del ambiente para alimentar circuitos electrónicos de bajo consumo. Los dispositivos de recolección de energía nano- y microelectromecánicos (N/MEMS) pretenden ser el vínculo entre esos dos diferentes dominios. Un recolector de energía (energy scavenger) puede producir suficiente electricidad para alimentar un nodo autónomo de una red de sensores inalámbricos (WSN), sin la necesidad de una batería dedicada. Esta tesis se centra en el estudio, diseño, fabricación y caracterización de diferentes tipos de sistemas de recolección de energía a micro-escala. Los métodos de transducción investigados para convertir la energía mecánica en electricidad han sido el electrostático y el piezoeléctrico. El primero de ellos fue utilizado para integrar, en un mismo chip, un recolector de energía en una tecnología CMOS comercial. Después, se utilizaron dos diferentes tecnologías MEMS para la fabricación de un sistema electrostático y otro piezoeléctrico. Estos sistemas se han aprovechado de un concepto novedoso, definido por primera vez en esta tesis, llamado "Energy Harvester in Package". Este se basa en el uso del propio chip como masa inercial del resonador utilizado para recuperar la energía mecánica. La ventaja de este concepto es el aumento significativo de la densidad de potencia extraída en comparación con los diseños convencionales. Como resultado de estos procesos de fabricación, varios prototipos de diferentes sistemas de recolección de energía fueron fabricados y caracterizados, mostrando prometedoras expectativas. En la última parte de esta tesis, se realiza una extrapolación hacia dispositivos de recolección de energía a escala nanométrica. Esta se centra en el uso de nanohilos piezoeléctricos de ZnO para generar electricidad como consecuencia de movimientos. Esta innovadora área de investigación ha sido explorada y varios prototipos fueron fabricados para probar la combinación de elementos microscópicos resonantes y nanohilos piezoeléctricos de ZnO.