The Internet of Things (IoT) is an infrastructure of physical objects connected via the Internet that can exchange data to achieve efficient resource management. Billions of devices must be self-powered and low-cost considering the massive scale of the IoT. Thus, there is a need for low-cost ambient energy harvesters to power IoT devices. It is a challenging task since ambient energy might be unpredictable, intermittent and insufficient. For example, solar energy has limitations such as intermittence and unpredictability despite utilizing the highest power availability and relatively mature technology. Designing a multi-source energy harvester (MSEH) based on continuous and ubiquitous ambient energy sources might alleviate these issues by providing versatility and robustness of power supply. However, combining several energy harvesters into one module must be done synergistically to ensure miniaturization, compactness and more collected energy. Also, additive manufacturing techniques must be used to achieve low-cost harvesters and mass manufacturability. This dissertation presents two different kind of ambient energy harvesters, namely radio frequency energy harvester (RFEH) and thermal energy harvester (TEH). Each harvester is individually optimized and then synergistically combined into a MSEH. First, RFEH is designed for triple-band harvesting (GSM900, GSM1800, 3G2100) using the antenna-on-package concept and fabricated through 3D and screen printing. TEH collects energy from temperature fluctuations of ambient environment through a combination of thermoelectric generators and phase change materials. It is adapted specifically for the desert conditions of Saudi Arabia. Later, TEH and RFEH are combined to realize MSEH. Smart integration is achieved by designing a dual-function component, heatsink antenna, that serves as a receiving antenna of RFEH and a heatsink of TEH. The heatsink antenna has been optimized for both antenna radiation performance and heat transfer performance. Field tests showed that the MSEH can collect 3680μWh energy per day and the outputs of TEH and RFEH have increased 4 and 3 times compared to the independent TEH and RFEH respectively. To validate the utility of the MSEH, a temperature/humidity sensor has been successfully powered by the MSEH. Overall, sensor’s data can be wirelessly transmitted with time intervals of 3.5s, highlighting the effectiveness of the synergistic MSEH.

No description available.

Le contexte de cette thèse est la récupération d'énergie afin de rendre des capteurs autonomes. L'objectif de ce travail est de répondre à la problématique du couplage des microgénérateurs piézoélectriques résonants à la source de vibration mécanique. Cela nécessite de travailler à plus basse fréquence et sur des gammes de fréquences plus importantes. Pour travailler à plus basses fréquences, des poutres encastrées libres utilisant l'AlN comme matériau piézoélectrique ont été conçues, fabriquées et caractérisées. La possibilité de récupérer 0.6µW à 214Hz pour un volume de moins de 3mm3 a été prouvée. Comparées à la littérature, de très bonnes figures de mérite ont été démontrées. Pour travailler sur des gammes de fréquences plus importantes, une méthode innovante de raidissement non linéaire de la structure a été proposée et prouvée expérimentalement, avec une adaptation de la fréquence de résonance de plus de 50% en dessous de 500Hz / This PhD thesis context is about energy harvesting in order to have autonomous sensors. The problematic of the coupling of piezoelectric mechanical energy harvesters with the mechanical vibration source has been studied. To be efficient, the harvesters have to work at lower frequencies and on larger frequency ranges. To work at lower frequencies, we designed, fabricated and characterized AlN piezoelectric clamped free beams. We proved that it was possible to harvest 0.6µW for a volume of less than 3mm3. Our devices have very good figures of merit compared to literature. To work on wider frequency ranges, we propose an innovative nonlinear hardening method. It has been proven experimentally, with an adaptability of the resonance frequency of more than 50% under 500Hz.

This thesis primarily deals with the concept of designing an antenna based device to harvest energy from Radio Frequency (RF) and using the harvested energy to sense the available Long Term Evolution (LTE) network in order for the Internet of Things (IoT) devices to connect to the network for the purpose of transmitting and receiving data. Secondarily the importance of this project is targeting how to conserve battery power in an IoT device and extend it’s lifetime. Research in the field of energy harvesting has been going on for a long time. Most of the researches concentrate on harvesting significant amount of energy to power up an entire device and so no one has ever thought of using the harvested RF energy to sense the availability of LTE network. This method of using antenna to sense network requires only a small amount of harvested energy. Due to this reason the proposed design works for a very low input received signal strength indicator (RSSI) as well, unlike higer RSSI required for other applications. The proposed design has three major sub-parts such as the (i) Antenna for the purpose of receiving the available ambient radio frequency. (ii) Matching circuit for the purpose of maximum power transfer between the antenna and the rectifier circuit. Finally (iii) rectifier which is used to convert the AC voltage into DC voltage. The device then measures the obtained voltage through the Analog to Digital Converter (ADC) pin in the Micro-Controlling Unit (MCU) available with the attached IoT device. The MCU then maps the harvested voltage into the corresponding analog voltage.Depending on the set threshold voltage the MCU can then advice whether or not to connect to the LTE network. The design implements matching circuit for the two LTE bands that are primarily in use in the European region i.e., band 3, 8 that work in 915, 1800 MHz frequency region respectively. In this way we can identify in which band the device is harvesting energy. The matching circuit also acts as a bandpass filter. For the design and production of the entire harvester device one needs adequate knowledge in the field of RF and Antennas and a high level knowledge in the field of electronics in order to run Simulations and to design Printed Circuit Boards (PCBs). Advanced Design Software (ADS) has been used to run all the simulations and Altium software for the design of PCBs. The final prototype is presented along with the casing and tested on the field in practical scenario. Antenna test chambers were used to test the performance of the antennas being used for the design. The prototype harvests RF energy and indicates whether or not to connect to the LTE network with the help of light emitting diode (LED). The uniqueness of the device is that it can detect signals as low as -110 dBm, this has been set as the threshold for the purpose of sensing LTE networks. / Denna avhandling behandlar primärt konceptet att använda antenner för att hämta energi från RF och att använda den insamlade energin för att känna av det tillgängliga LTE-nätverket för att IoT-enheterna ska kunna ansluta till nätverket för syftet med att överföra och ta emot data. Sekundärt Målet med av detta projekt är att spara batteri i en IoT-enhet och förlänga dess livslängd. Forskning inom området energiskörd har pågått under lång tid nu. De flesta av undersökningarna koncentrerar sig på att skörda betydande mängder energi för att driva en hel enhet och så ingen har någonsin tänkt på att använda den avkända RF-energin för att känna av tillgängligheten för LTE-nätverket. Denna metod för att använda antenn för att känna av nätverk kräver endast en liten mängd skördad energi. På grund av denna anledning fungerar den föreslagna designen även för en mycket låg ingång RSSI, till skillnad från högre RSSI som krävs för andra applikationer. Den föreslagna designen har tre huvuddelar, såsom (i) antennen för att ta emot den tillgängliga omgivande radiofrekvensen. (ii) Matchningskrets för maximal effektöverföring mellan antennen och likriktarkretsen. Slutligen (iii) likriktaren som används för att omvandla AC-spänningen till DC-spänning. Enheten mäter sedan den erhållna spänningen genom ADC-stiftet i MCU som finns tillgänglig med den anslutna IoT-enheten. MCU mappar sedan den genererade spänningen till motsvarande analoga spänning. Beroende på den inställda tröskelspänningen kan MCU sedan ge råd om att ansluta till LTE-nätverket eller inte. Konstruktionen implementerar matchningskrets för de två LTE-banden som primärt används i den europeiska regionen vilka är band 3, 7 som arbetar i 915 respektive 1800 MHz frekvensområdet. På så sätt kan vi identifiera i vilket band enheten hämtar energi i. Matchningskretsen fungerar också som ett bandpassfilter. För design och produktion av hela insamlingsenheten behöver man adekvat kunskap inom området RF och antenner och en hög nivå kunskap inom elektronikområdet för att kunna köra simuleringar och designa PCBs.ADS har använts för att köra alla simuleringar och Altium-mjukvara för design av PCBs. Den slutliga prototypen presenteras tillsammans med höljet och testas på fältet i praktiskt scenario. Antenntestkammare användes för att testa prestandan hos antennerna som användes för konstruktionen. Prototypen skördar RF-energi och indikerar om man ska ansluta till LTE-nätverket eller inte med hjälp av blinkande LED.Det unika med enheten är att den kan upptäcka signaler så låga som - 110 dBm, detta har satts som tröskel för avkänning LTE nätverk.