Phononic crystal based lenses for focusing and energy harvesting

In recent years, sensors and micro-devices are becoming more and more part of our everyday life, as their presence is increasing in a very high number of appliances, from smartphones and gaming apparatus to domotics and IoT applications. As such, there is a growing trend in the research and academic world toward the study and development of mechanisms which can allow such systems to be powered autonomously, allowed even by the fact that the smaller dimension of sensor, nowadays, makes them less power consuming. In this work, the aim is focused on the review of solutions which allow to concentrate the displacement and the energy of vibrations in a single spot, to pose ground for further investigation of EH systems coupled with lenses. In particular, the focus has been put on phononic crystal based lenses. Phononic crystals are periodic structures which aim at tailoring material properties by exploiting physical or geometrical features, like local inclusions of height variations. As a result, by proper modifications of the structure of the device, local tuning of the refractive index for elastic waves can be enabled, which will allow to build lenses. Three different devices are tested, in particular a GRIN lens, which focuses waves on the centre of the device, and two Luneburg lenses, which focus waves at the diametrically opposed point with respect to the entrance one. The aim is to compare their results in terms of focusing ability and frequency range of validity. Based on the found results, the following step will test the ability of such structures not only to amplify wave displacement, but in their efficiency in concentrating the energy that waves carry in a single localised point, with the potentiality of being used for energy harvesting purposes if results are promising. As such, the final discussion is dedicated to the overview of which device could be the best for a possible prototype realization.

Negli ultimi anni, sensori e microdispositivi stanno diventando sempre più parte integrante della nostra quotidianità. Ne è testimonianza la loro presenza all'interno di dispositivi che usiamo giornalmente, notevolmente aumentata. Se, qualche anno fa, le applicazioni che ne prevedevano l'utilizzo erano molto più limitate, anche per una questione di costo, oggi sensori sono installati in dispositivi molto comuni quali smartphone, consolle di gioco, per arrivare a dispositivi per la domotica e l'IoT. Da questa osservazione nasce una problematica, ovvero come riuscire a dare energia a ciascuno di questi dispositivi, tutti in connessione tra di loro, in maniera sostenibile. Ad oggi molte soluzioni prevedono batterie però, allo stesso tempo, la ricerca sta sviluppando prototipi e tecnologie che permettano il riciclo e l'accumulo di energia dall'ambiente circostante, con l'obiettivo finale di riuscire a fornire energia a questi sistemi in maniera più eco sostenibile. Questo oggi è reso possibile anche dal fatto che le dimensioni più ridotte dei sensori permettono di ottenere un'efficienza energetica molto maggiore. In questo lavoro di tesi, l'attenzione è stata posta sull'utilizzo di lenti per onde elastiche basate su strutture definite cristalli fononici. I cristalli fononici sono strutture periodiche, artificialmente realizzate che, grazie allo sfruttamento di proprietà fisiche dei costituenti e della periodicità stessa, permettono di regolare localmente le proprietà del materiale. Questo, nel nostro caso, consente la regolazione dell'indice di rifrazione per le onde elastiche, di modo tale che si possano costruire delle lenti che focalizzino le onde entranti in un punto ben preciso del dispositivo. In particolare, tre diversi dispositivi sono stati analizzati: una lente GRIN, che si pone l'obiettivo di focalizzare onde al centro della lente stessa, e due lenti di Luneburg che, invece, hanno come obiettivo la focalizzazione delle onde sul punto diametralmente opposto a quello di entrata. I risultati ottenuti, mediante simulazione numerica, vengono confrontati per verificare la riproducibilità dell'effetto di focalizzazione e per testare in che intervallo di frequenze il fenomeno sia nettamente visibile. Una volta individuato il dispositivo migliore per ogni categoria, questi vengono confrontati ulteriormente per testare se, oltre ad un incremento della magnitudo di spostamento, le lenti offrono dei tangibili effetti di localizzazione dell'energia. In questo modo, è possibile ipotizzare l'utilizzo di tali strutture per EH mediante l'utilizzo di layer piezoelettrici. Infine, una volta compreso quale sia il dispositivo più promettente, viene proposta una discussione sulla effettiva realizzazione di un prototipo.