En la actualidad, el propósito de ahorrar energía y encontrar nuevas fuentes de energía
renovables se ha convertido en un tema candente. Las fuentes de energía ambiental son la
mejor solución para obtener energía gratis en prácticamente cualquier lugar. Fuentes de
energía mecánica y, en particular, las vibraciones son una magnifica opción para recuperar
una cantidad pequeña, pero interminable, de energía del ambiente para alimentar circuitos
electrónicos de bajo consumo. Los dispositivos de recolección de energía nano- y microelectromecánicos
(N/MEMS) pretenden ser el vínculo entre esos dos diferentes dominios. Un
recolector de energía (energy scavenger) puede producir suficiente electricidad para
alimentar un nodo autónomo de una red de sensores inalámbricos (WSN), sin la necesidad de
una batería dedicada.
Esta tesis se centra en el estudio, diseño, fabricación y caracterización de diferentes tipos
de sistemas de recolección de energía a micro-escala. Los métodos de transducción
investigados para convertir la energía mecánica en electricidad han sido el electrostático y el
piezoeléctrico. El primero de ellos fue utilizado para integrar, en un mismo chip, un
recolector de energía en una tecnología CMOS comercial. Después, se utilizaron dos
diferentes tecnologías MEMS para la fabricación de un sistema electrostático y otro
piezoeléctrico. Estos sistemas se han aprovechado de un concepto novedoso, definido por
primera vez en esta tesis, llamado "Energy Harvester in Package". Este se basa en el uso del
propio chip como masa inercial del resonador utilizado para recuperar la energía mecánica.
La ventaja de este concepto es el aumento significativo de la densidad de potencia extraída en
comparación con los diseños convencionales. Como resultado de estos procesos de
fabricación, varios prototipos de diferentes sistemas de recolección de energía fueron
fabricados y caracterizados, mostrando prometedoras expectativas.
En la última parte de esta tesis, se realiza una extrapolación hacia dispositivos de
recolección de energía a escala nanométrica. Esta se centra en el uso de nanohilos
piezoeléctricos de ZnO para generar electricidad como consecuencia de movimientos. Esta
innovadora área de investigación ha sido explorada y varios prototipos fueron fabricados
para probar la combinación de elementos microscópicos resonantes y nanohilos
piezoeléctricos de ZnO. / Nowadays, the aim of saving energy and finding new renewable sources has become a
hot topic. Ambient energy sources are the best solution to obtain free energy in virtually
any location. Mechanical energy sources and, in particular, vibrations are a wonderful
option to recover a tiny but endless amount of energy from the environment to power lowconsumption
electronics circuits. N/MEMS energy harvesting devices are aimed to be the
link between these two different domains. An energy scavenger can generate enough
electricity to power an autonomous node of a wireless sensor network (WSN) without the
need of a dedicated battery.
This thesis is focused on the study, design, fabrication and characterization of different
approaches of vibration-driven energy harvesting systems at micro-scale. The transduction
methods investigated to convert the mechanical energy into electricity have been the
electrostatic and piezoelectric. The first one was used to monolithically integrate an energy
scavenger into a commercial CMOS technology. Then, two different MEMS technologies for
fabricating an electrostatic and a piezoelectric energy harvesting system were utilized.
These systems took advantage of a novel concept, first defined in this thesis, called “Energy
Harvesting in Package” that relies on the use of the whole die as inertial mass of the
resonator utilized to recover the mechanical energy. The advantage of this concept is the
significant increase of the extracted power density in comparison to the conventional
approach. As a result of these fabrication processes, several prototypes of the converter
part of different energy harvesting systems were developed and characterized showing
promising expectations.
In the last part of this thesis, a shift toward nano-scale energy scavenging devices is
done. It is focused on the use of piezoelectric ZnO nanowires to generate electricity from
motion. This cutting-edge field has been explored and several prototypes were fabricated
to prove the combination of microscopic resonant elements with ZnO nanowires.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/83995 |
| Date | 25 November 2011 |
| Creators | Murillo Rodríguez, Gonzalo |
| Contributors | Abadal Berini, Gabriel, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Enginyeria Electrònica |
| Publisher | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Source Sets | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 176 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs., info:eu-repo/semantics/openAccess |
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