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

Abstract

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.

Nowadays, the aim of saving energy and finding new renewable sources has become a hot topic. Ambient energy sources are the best solution to obtain free energy in virtually any location. Mechanical energy sources and, in particular, vibrations are a wonderful option to recover a tiny but endless amount of energy from the environment to power lowconsumption electronics circuits. N/MEMS energy harvesting devices are aimed to be the link between these two different domains. An energy scavenger can generate enough electricity to power an autonomous node of a wireless sensor network (WSN) without the need of a dedicated battery. This thesis is focused on the study, design, fabrication and characterization of different approaches of vibration-driven energy harvesting systems at micro-scale. The transduction methods investigated to convert the mechanical energy into electricity have been the electrostatic and piezoelectric. The first one was used to monolithically integrate an energy scavenger into a commercial CMOS technology. Then, two different MEMS technologies for fabricating an electrostatic and a piezoelectric energy harvesting system were utilized. These systems took advantage of a novel concept, first defined in this thesis, called “Energy Harvesting in Package” that relies on the use of the whole die as inertial mass of the resonator utilized to recover the mechanical energy. The advantage of this concept is the significant increase of the extracted power density in comparison to the conventional approach. As a result of these fabrication processes, several prototypes of the converter part of different energy harvesting systems were developed and characterized showing promising expectations. In the last part of this thesis, a shift toward nano-scale energy scavenging devices is done. It is focused on the use of piezoelectric ZnO nanowires to generate electricity from motion. This cutting-edge field has been explored and several prototypes were fabricated to prove the combination of microscopic resonant elements with ZnO nanowires.