Design of MEMS micro power generators for autonomous systems on chip
Conception de microgénérateurs intégrés pour systèmes sur puce autonomes
Résumé
This PhD thesis addresses the subject of autonomous microsystems and their energy supply. Until now the energy needed for operation of these devices was provided by a finite source, like an electrochemical battery. It implies that the lifetime of the device is directly linked with the size of this reservoir and therefore a trade-off must be made between the size and the longevity of the system. The goal of this work consists in exploring the possibility of using the energy of ambient mechanical vibrations for powering autonomous devices. Furthermore we analyse the possibility of miniaturisation of such generators by using microfabrication techniques and piezoelectric thin layers. A MEMS micro energy scavenger would enable creation of autonomous systems on chip (SoC) or on a package (SoP). During this work we have developed detailed analytical and FEM models of piezoelectric micro power generators. The results obtained were used for design and fabrication of prototype structures using two types of piezoelectric thin layer materials: Aluminium Nitride (AlN) and Lead Zirconate Titanate (PZT). We have proven that these devices can generate powers up to several microwatts on a matched resistive load. We have also shown that in conjunction with special power management ASICs they can charge energy storage elements from very low amplitude vibrations. Finally we have assembled the entire energy harvesting system as a System on a Package. The presented devices are at the moment the sole examples of MEMS piezoelectric micro power generators adapted for ambient vibration energy harvesting. This PhD work is a part of the VIBES (VIBration Energy Scavenging) project founded by the European Commission (IST-1-STREP-507911).
Cette thèse explore la thématique des microsystèmes autonomes, notamment la problématique de leur alimentation en énergie. Jusqu'à présent, l'énergie nécessaire pour faire fonctionner ces dispositifs était fournie par une source finie, par exemple une batterie électrochimique. Cela implique, qu'après un certain temps, le réservoir doit être rempli, sinon le dispositif cesse de fonctionner. De plus, un compromis doit être fait entre la taille et la durée de vie du système. L'objectif de ce travail est d'étudier la possibilité d'alimenter de tels systèmes à partir de l'énergie des vibrations mécaniques ambiantes. Nous nous sommes focalisés sur la miniaturisation du dispositif de récupération d'énergie, et sur la possibilité de son élaboration en employant les techniques de micro fabrication et les couches minces piézoélectriques. L'utilisation d'un dispositif de type MEMS permettrait de créer des systèmes autonomes sur une seule puce (SoC) où dans un boîtier (SoP). Au cours de cette thèse nous avons créé des modèles analytiques et par éléments finis des structures de générateurs piézoélectriques. Nous avons conçu et fabriqué les dispositifs en utilisant deux matériaux piézoélectriques : le nitrure d'aluminium (AlN) et le zirconate titanate de plomb (PZT). Nous avons démontré que de telles structures peuvent fournir une puissance de l'ordre de quelques microwatts. De plus, avec des circuits spécifiques de gestion de puissance elles permettent de charger des dispositifs de stockage à partir des vibrations d'une très faible amplitude. Les dispositifs présentés sont pour le moment les seuls microgénérateurs piézoélectriques au monde adaptés aux vibrations ambiantes. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet VIBES (VIBration Energy Scavenging) qui est un STREP du sixième programme cadre de l'Union Européenne (IST-1-STREP-507911).
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