Energy harvesting da vibrazione di travi piezoelettriche in presenza di interazioni magnetiche

The work of the following thesis focuses on the study of MEMS systems for ambient energy scavenging applications. The structure of the dissertation basically consists of four main parts: in the first part, the focus is on the theme of environmental energy recovery, on the description of the electromechanical transduction mechanisms and on a general revision of the vibrational energy harvesting devices, namely linear piezoelectric resonant cantilever oscillators. The second part of the thesis focuses instead on aspects of mathematical modeling of coupled electromechanical problem: a dynamic analytical formulation through modal analysis, an approximate numerical formulation and two simplified models for cantilevers with a single mechanical degree of freedom are proposed. Thereafter, the third part is devoted to the study and review of techniques that, taking advantage of non-linear phenomena, have the purpose of improving the efficiency and performance of the piezoelectric harvesters. A special attention is devoted to the description of the frequency-up-conversion techniques, highlighting the methods that rely on magnetic interaction phenomena. The fourth and final part teats dynamic simulations, at both mesoscale and microscale, of a device for ambient vibration energy scavenging. The simulation is performed using a Matlab code implemented by the author. In addition to the classical dynamics simulations, in this final section a parametric study of the Frequency Up Conversion technique by means of magnetic interaction is conducted.

Il lavoro della presente tesi si concentra sullo studio di sistemi su scala MEMS per l’energy harvesting da vibrazione ambientale. La struttura della seguente dissertazione consiste fondamentalmente di quattro parti principali: nella prima parte, l’attenzione è posta sul tema del recupero dell’energia ambientale, sulla descrizione dei meccanismi di trasduzione elettromeccanica e su una revisione generale dei dispositivi base per l’energy harvesting da vibrazione, ovvero gli oscillatori a mensola lineari risonanti piezoelettrici. La seconda parte della tesi si concentra invece sugli aspetti di modellazione matematica del problema elettromeccanico accoppiato: viene proposta una formulazione analitica dinamica tramite analisi modale, una formulazione numerica approssimata e due modelli semplificati per travi a mensola ad un unico grado di libertà meccanico. In seguito, la terza parte è dedicata allo studio e alla revisione delle tecniche che, sfruttando fenomeni non lineari, hanno l’obbiettivo di migliorare l’efficienza e le performance degli harvester piezoelettrici. Una speciale attenzione viene dedicata alla descrizione delle tecniche di Frequency-Up-Conversion, mettendo in risalto i metodi che si basano su fenomeni interazione magnetica. La quarta ed ultima parte è infine focalizzata sulla simulazione dinamica, sia alla mesoscala che alla microscala, di un dispositivo per l’energy harvesting da vibrazione. La simulazione è svolta tramite un codice Matlab implementato dall’autore. Oltre alle simulazioni dinamiche classiche, in questa sezione finale viene condotto anche uno studio parametrico della tecnica di Frequency Up Conversion tramite interazione magnetica.