Sistemi di energy harvesting per sensori e dispositivi portatili, basati sull'uso di materiali piezoelettrici

The following master’s thesis deals with the study of an energy harvesting device that uses piezoelectric materials and is compatible with the operation of sensors and portable devices such as smartphones, fitness trackers and smart watches. The work is focalized in the analysis of a transducer composed by a stratified cantilever which its dimensions are 3000μm×1500μm×8μm. It’s obtained by superimposing a layer of 6μm of Silicon with a layer of 2μm of PZT. In order to exploit human movement, it will be proved that impact shows better results, in terms of power, than if the resonance phenomenon is exploited. Moreover, running a parametric study, becomes clear that a cantilever transducer without any tip-mass having an impact at the free edge represent the best solution. This element gives an average power of 26.39μW during impact with peaks of 122.3μW when it is connected to an external resistive electrical load of 4637Ω. The structural and electrical numerical modeling technique is also validated through a prototype.

Il seguente lavoro di tesi tratta lo studio di un dispositivo per energy harvesting che sfrutti materiali piezoelettrici e sia compatibili con il funzionamento di sensori e dispositivi portatili come smartphone, fitness tracker e smart watch. Il lavoro si concretizza nell’analisi di un trasduttore composto da una mensola stratificata di dimensione 3000μm×1500μm×8μm ottenuta dalla sovrapposizione di uno strato di 6μm di Silicio con uno strato di 2μm di PZT (Piombo-Zirconato Titanato). Al fine di sfruttare il movimento umano si evince che forzando la struttura attraverso un corpo impattante libero di muoversi si ottengono risultati migliori, in termini di potenza, del caso in cui si sfrutti il fenomeno della risonanza. Inoltre, a seguito di uno studio parametrico, si stabilisce che la configurazione ottima consiste in un trasduttore a mensola privo di massa aggiunta avente il punto di contatto con il corpo impattante all’estremità libera. Tale elemento è in grado di erogare una potenza media di 26.39μW durante l’impatto con picchi di 122.3μW se collegato a un carico elettrico esterno resistivo pari a 4637Ω. Viene inoltre validata, attraverso un prototipo, la tecnica di modellazione numerica sia strutturale che elettrica.