Microgeneratoare de energie pentru alimentarea senzorilor și a microsistemelor portabile

OBIECTIVELE PROIECTULUI

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

PARTENERI

ICF

Institutul de Chimie Fizică ‘Ilie Murgulescu” al Academiei Române (ICF)

www.icf.ro
UPIT

Universitatea din Pitești (UPIT)

www.upit.ro
IMT

Institutul National de Cercetare – Dezvoltare pentru Microtehnologie (IMT)

www.imt.ro;

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).

Rezultate

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