Microgeneratoare de energie pentru alimentarea senzorilor și a microsistemelor portabile
Proiectul își propune să realizeze un microgenerator piezoelectric de energie (o structura MEMS acoperită cu un film piezoelectric subțire având rolul de a transforma energia mecanica în energie electrică – efectul piezoelectric direct), realizat cu materiale piezoelectrice PZT dopate, cu coeficienți piezoelectrici ridicați, sub forma unor straturi subțiri pe substrat de Si, cu pierderi mici, dar și proiectarea dispozitivului de stocare a energiei și realizarea electronicii asociate.
Scopul principal este dezvoltarea unor tehnici de recoltare a energiilor din mediul ambiant (vibrații mecanice de diferite frecvente) în domeniul 1-100µW, pentru a face posibilă operarea autonomă a micro dispozitivelor și sistemelor portabile din industria aeronautică sau din viața civilă. Ţinta principală a proiectului este de a dezvolta această tehnologie pentru a elimina utilizarea bateriilor chimice sau cablarea complexă din cadrul microsenzorilor / microsistemelor, crescând astfel autonomia senzorilor, sistemelor complexe şi retelelor.
Microgeneratorul de energie va fi alcătuit din multiple structuri MEMS de tip cantilever acoperite cu un film subțire piezoelectric PZT, conectate împreună pentru a crește densitatea de putere.
Conversia energiei mecanice din mediul ambiant în energie electrică
Concept al microgeneratorului de energie împreună cu modulul electronic de stocare
Coordonatorul proiectului 1, IMT, proiectează și fabrică senzorii TF BAR. UPB și UPIT asigură proiectarea și realizarea circuitelor electronice și a interfeţelor de testare, ICF dezvoltă straturile senzitive utilizate la detecţie, iar CCSACBRNE asigură know-how-ul în domeniul explozivilor și expertiza pentru testarea senzorilor în condiții reale (poligon militar).
Pe parcursul anului 2018 au fost definite specificațiile microsistemului piezoelectric de captare de energie prin frecvența de rezonanță de 385Hz, o arie de sub 1cm2, folosirea PZT-ului ca material piezoelectric și proiectarea unei structuri ce folosește modul de vibrație flexure transversal d31.
De asemenea, s-au proiectat două variante de dispozitive piezoelectrice de captare de energie: un cantilever rectangular de siliciu (lungime 2500µm, lățime de 300µm, grosime de 10µm) cu masa inerțială de siliciu si un cantilever rectangular spiralat (lungime echivalenta de 21.6mm și lățime de 300µm). S-au grupat 10 cantilevere rectangulare într-un array de 2×5 cantilevere, pentru a crește densitatea de putere.
S-a realizat proiectarea tehnologică prin proiectarea structurilor și definirea unui flux tehnologic de fabricație și s-au realizat scheme bloc pentru modulul electronic de captare și stocare de energie. Din punctul de vedere al materialului piezoelectric, a fost dezvoltată metoda de depunere prin PLD si prin serigrafie.
Cantilever rectangular cu masa inerțială (simulare)
Cantilever rectangular spiralat (simulare)
Schema de conectare a microbarelor rezonatoare
Schema bloc a sistemului modulul electronic de captare și stocare de energie
In etapa II din cadrul Proiectului 4, a fost fabricat setul de măști necesar dezvoltării structurilor MEMS de micro-generator și au fost depuse și caracterizate straturile piezoelectrice prin metoda PLD.
Tot în aceasta etapa a fost definit fluxul tehnologic de obținere a micro-generatoarelor si au fost efectuate teste pentru etapele mai importante, optimizându-se parametrii de proces.
Totodată au fost fabricate cu succes structuri-test de micro-generatoare, care au fost încapsulate pentru caracterizare și testate. A fost dezvoltat, de asemenea, un circuit de test pentru modulul electronic de stocare de energie.
Interfata programului analizorului de vibratii, prezentand semnalul in domeniul timp (fereastra de jos) si spectrul FFT de deflectie calculat (fereastra de sus)
In etapa III, din cadrul Proiectului 4, s-a optimizat setul de masti necesar realizarii structurilor MEMS de micro-generator si s-au depus si caracterizat straturi piezoelectrice de PZT (plumb-zirconiu-titanat), ZnO-NWs (nanofire de oxid de zinc) sau nitrura de aluminiu (AlN). Cum straturile piezoelectrice de PZT si ZnO-NWs s-au dovedit dificil de integrat cu tehnologiile MEMS, pentru fabricarea structurilor de energy harvesting s-a optat pentru AlN.
Astfel, s-au fabricat cu succes structuri de micro-generatoare, care au fost incapsulate pentru caracterizare si testate si s-a optimizat modulul electronic de stocare de energie.
In urma testarii, structurile MEMS au fost reoptimizate pentru a acoperi o gama mai larga de aplicatii de securitate (giro-motoarele aeronavelor) si pentru a mari puterea culeaza din mediu.
In cadrul celei de-a patra etape de dezvoltare, au fost testate in laborator diferite tipuri de structuri MEMS de micro-generator cu o arie de ~1 cm2, structuri obtinute cu nitrura de aluminiu (AlN) ca strat piezoelectric.
Au fost studiate diferite tipuri de configuratii electrice de conectare a cantileverelor pentru a creste puterea colectata. Astfel, in configuratii de 2 ramuri in serie cu 2 cantilevere in paralel pe fiecare ramura, s-a obtinut o putere de 0.62µW pe o rezistenta de sarcina optima de ~2.2MΩ la o frecventa de 438.7Hz si o acceleratie de 1g; curentul rezultat a fost de 530nA.
Pentru o alta frecventa de interes, in aceeasi configuratie s-a obtinut o putere de 0.37µW pe o rezistenta de sarcina optima de ~2.2MΩ la o frecventa de 411.7Hz si o acceleratie de 1g; curentul rezultat a fost 410nA. In aceste conditii, puterea maxima ce se poate optine este de 3.1µW, respectiv 1.85µW.
Rezultatele sunt bune si conduc la optimizarea procesului de fabricatie pentru a conecta un numar sporit de cantilevere care rezoneaza in faza, marind astfel puterea generata. De altfel, prin simpla dopare cu scandiu a stratului piezoelectric de AlN se pot obtine rezultate mult imbunatatite.
Proiectarea si fabricarea de structuri cu cantilevere configurate pe cip:
5 ramuri in paralel cu 4 cantilevere in serie pe fiecare ramura
4 ramuri in paralel cu cate 5 cantilevere in serie pe fiecarea ramura
