Piezoelectric vibration micro energy harvesters

In recent years the world is facing an extraordinary diffusion of the “Internet of Things” (IOT) concept which is the idea of building smart and autonomous sensors networks which can help us in sensing, understanding and controlling our environment. For this idea to be effective, new sensors should be small, barely costless and autonomous. Recent advances in low-power consumption circuitry have enabled ultrasmall power integrated circuits which can run with extremely low amount of power. This scaling trend has opened the door for on-chip energy harvesting solutions, eliminating the need for batteries or complex wiring, thus forming the foundation for battery-less autonomous sensors networks which can harvest on-site the energy they require for their operations. Piezoelectric MicroElectroMechanical Systems (MEMS) energy harvesting is an attractive technology for harvesting small amount of energy from ambient vibrations. This work presents current developments in this technology and studies i) cantilever, ii) bridge-shaped and iii) frequency up converter harvesters in order to highlight advantages and drawbacks of each solution. The major innovative contributions proposed in this thesis are: • Developing a refined, yet simple model with the aim of providing fast and insightful solutions to the multi-physics problem of energy harvesting via piezoelectric layered structures. The main result has been to retain a simple structural model (Euler-Bernoulli beam), with the inclusion of effects connected to the actual three-dimensional shape of the device. • Developing a model for piezoelectric bridge-shaped harvesters which properly includes nonlinear stretching strain and piezoelectric coupling. The main result has been to show that the power generation of resonant energy harvesters is bounded by the mechanical damping. However, nonlinear resonant harvesters have much wider power bandwidth and achieve lower displacements than that of linear resonators. • Proposing and designing a simple and efficient frequency up conversion mechanism that allows for MEMS scale integration and it is fully compatible with microfabrication processes.

Negli ultimi anni, il mondo sta affrontando una straordinaria diffusione del concetto di Internet of things (IOT), l’Internet delle cose è l’idea di costruire reti di sensori intelligenti ed autonomi che ci permettano di sentire, capire e controllare l’ambiente che ci circonda. Affinché questa idea sia efficace, i sensori di nuova generazione devono essere estremamente piccoli, a costo praticamente nullo e completamente autonomi. Recenti sviluppi nell’ambito dell’elettronica hanno permesso di realizzare circuiti integrati estremamente piccoli che richiedono consumi di energia molto bassi per poter funzionare. Queste innovazioni hanno aperto la strada a sistemi di generazione di potenza incorporati sul circuito integrato, eliminando il bisogno di batterie o di complessi cablaggi e fondando le basi per reti di sensori autonomi e senza batteria che recuperano in-situ l’energia necessaria per il loro funzionamento. I microsistemi (MEMS) piezoelettrici per il recupero di energia sono un’affascinante tecnologia per recuperare piccole quantità di energia da vibrazioni. Questo lavoro presenta gli ultimi sviluppi in questo settore e in particolare studia sistemi i) a mensola, ii) a doppio incastro e iii) sistemi detti di frequency up conversion (che trasformano energia a bassa frequanze in enegia ad alta frequenza) con lo scopo di evidenziare vantaggi e svantaggi di ciascuna di queste tecniche. I principali contributi proposti in questa tesi sono: • Lo sviluppo di un modello semplificato di strutture laminate piezoelettriche usate per la raccolta di energia. Il risultato principale è stato quello di mantenere un modello strutturale semplice (trave alla Eulero-Bernoulli) capace di cogliere gli effetti connessi all’effettiva forma tridimensionale del dispositivo. • Lo sviluppo di un modello per travi a doppio incastro che include effetti nonlineari e accoppiamento piezoelettrico. Il risultato principale è stato quello di dimostrare che la potenza massima generata da sistemi risonanti lineari e nonlineari è definita dallo smorzamento meccanico. Tuttavia, i sistemi nonlineari hanno una larghezza di banda piu’ ampia e sono efficienti a spostamenti minori rispetto a quelli lineari. • Lo prosposta di un sistema di frequency up conversion semplice, efficiente e compatibile con processi standard di fabbricazione MEMS.