High Efficiency Micro-electromagnetic Energy Harvesting System for Self-powered Smart Environment--EMPOWER

Understøttet av den omfattende framveksten av trådløse sensornettverk (WSN) representerer Internet of Things (IoT) et potensial for en trådløst sammenknyttet verden som favner et bredt spekter av anvendelsesområder, slik som transport, bygg- og hjemmeautomatisering, helse, miljøovervåking, "smarte byer", og mange flere. Som en begrensning i utbredelsen av sensornoder for trådløs kommunikasjon, til tross for teknologier som muliggjør dyptgripende, selvorganiserende nettverk, ligger imidlertid mangelen på alternative energikilder for kontinuerlig drift av sensornodene. Den største svakheten ved trådløse sensornettverk er behovet for å bytte og lade batterier, noe som krever omfattende løsninger for vedlikehold. Vibrasjonsdrevet-energihøsting, inkludert piezoelektriske, elektrostatiske og elektromagnetiske mekanismer, er en smart metode for å generere elektrisk energi fra den mekaniske energien i vibrasjoner fra kilder i sensornodens omgivelser utnyttes. Makro-/meso-skala teknikker har blitt utviklet over en tid og tilbyr attraktive løsninger på ulempene ved batterier, men på mikro-nivået gjenstår utfordringer som begrenser realiserbarheten. Det går på lav transduksjon, begrenset brukbar båndbredde, og lite effektiv energikonvertering. Hovedmålsettingen ved prosjektet er å utvikle en ny klasse av høyeffektive, miniatyriserte, integrerte bredbånds micro-effekt energihøstere, basert på CMOS-teknologi. Nye konsepter for enheter og innovative materialframskritt vil utforskes for å komme forbi de grunnleggende begrensningene i energihøstere, under realistiske driftsbetingelser. Arbeidet vil fokusere på å muliggjøre selvdrevne sensorbaserte overvåkingsapplikasjoner for helse og miljø, som igjen vil kunne understøtte et "Ambient Assisted Living"-scenario. Vi har foreslått en avansert totrinns tuningsmetode som muliggjør pålitelige og effektive mikrogeneratorer for å høste energi fra lavfrekvente vibrasjoner. Basert på grundig analysert ytelse, demonstrerer den foreslåtte metoden potensielle fordeler i forhold til konvensjonelle teknikker for å overvinne grunnleggende begrensninger ved høsting av kinetisk energi fra praktiske applikasjoner. Benyttelse av totrinns tuningstransdusere i elektromagnetiske energihøstere er i stand til å opprettholde en stor tuningsrekkevidde med høy pålitelighet, og deretter gjøre mikrogeneratorene mer effektive i å høste kinetisk effekt med lavfrekvente vibrasjoner. For å validere det innovative proof-of-concept, er en MEMS-prototype designet og produsert ved bruk av SOI-MUMPS-prosessering med en enhetslagtykkelse på 25 µm og en aktiv dimensjon på 4 mm x 5 mm. Denne standard mikrofabrikasjonsprosessen er kompatibel med CMOS-teknologi ved å integrere ASIC-strømstyringsenheten inn i energihøstingssystemet. Eksperimentell måling er utført for å verifisere ytelsen til totrinns tuningsmekanisme sammenlignet med analyseresultatene. Ytelsen til et hybrid energihøstingssystem, inkludert elektromagnetiske og piezoelektriske/elektrostatiske transduksjoner, studeres i prosjektet. Sammenlignet med et energihøstingsystem med én mekanisme, er en hybrid energihøster å øke effektiviteten av plassutnyttelse og den totale energien som høstes fra vibrasjonsomgivelsene. Analytiske løsninger for å oppnå maksimale effekt levert til lasten har blitt utledet ved bruk av kretsteori og impedanstilpasningsteknikker med hensyn til parasittiske tap av realistiske energihøstingssystemer. Forholdet mellom effektive verdier for de elektromagnetiske og piezoelektriske transduksjonene er identifisert, der det ene systemet gir høyere effekt enn det andre. Når begge transduksjonene har samme effektive verdi, kan optimalisering av effektivitet og maksimering av effekten kun oppnås som en unik løsning på hybridmekanismesystemet. Et potensielt designprinsipp har blitt introdusert for å muliggjøre mikrogeneratorer i hovedsak tilpasningsdyktig til forskjellige typer vibrasjonseksitasjoner, inkludert både smalbånd og bredbånd. Den effektive stivheten og den elektromekaniske koblingen styres jevnt og trutt av den mekaniske interaksjonen mellom den buede bjelken og den elektrostatiske kraften i form av en ikke-triviell elektrode. Den omfattende analysen viser at energihøstere kan drives fra lineære til bi-stabile regimer for å maksimere den høstede energien, avhengig av vibrasjonskildenes natur. Spesielt kan null-stivhetsoperasjonen oppnås ved nøyaktig å balansere fjær- og transduksjonskreftene i off-resonans-regimet. Den unike designfunksjonen muliggjør at energihøsterens ytelse kan være mer allsidig under forskjellige driftsforhold.

The primary outcome achieved is the development of innovative device concepts that enable CMOS-based energy harvesting technology to overcome fundamental limitations for health/environmental monitoring applications, thereby leading to the "Ambient Assisted Living" scenario. The implementation has proven the proposed concepts as an alternative solution to the performance challenges of miniaturized harvesters. The research provides an adaptive design methodology to maintain the highly efficient operation of energy harvesters even under broadband or low-frequency vibrations. In addition, the new findings on the performance of a hybrid energy harvester consisting of electromagnetic and piezoelectric/electrostatic transducers further improve the scavenged output power and the space utilization efficiency in the miniaturized system. The obtained achievements have been presented and published at international conferences and peer-reviewed scientific journals, giving scope to continue that trend. The outcomes are, therefore, expected to contribute to advancing the state-of-the-art in the field, which underpin the future growth of the overall ICT sectors.

Internet of Things (IoT) is regarded among the fastest growing technological platforms in the coming decades. These advanced systems enable intelligent decision-making for a smart environment around human beings. However, the technological limitations of batteries for powering IoT have led to research into harvesting alternative ambient energy sources, such as mechanical vibrations due to its widespread abundance in nature. Lately, Mechanical Energy Harvesting (MEH) devices have stimulated a lot of research efforts, however, without any major breakthrough in the outcome due to unfavorable scaling effects in the power-density. In this project, we aim to challenge the fundamental limitations of highly miniaturized MEH devices. We propose a solution that involves significant innovation in device physics, engineering of proficient device designs, next-generation material development for ultra-sophisticated microfabrication, and circuit design. Towards achieving the goal of delivering a realistic solution for powering IoT-based applications, we focus on addressing four critical challenges as follows. (i) Developing highly anisotropic, nano-structured, micro-patterns of exchange-coupled permanent magnets with high energy product. (ii) Significant increase in the electromagnetic (EM) coupling in a novel MEMS topology-critical to high-performance MEMS EM-MEH devices. (iii) Optimized design of MEMS device incorporating nonlinear oscillation to simultaneously increase the overall power-density and the operational bandwidth, for efficient operation under low-amplitude external vibrations. (iv) Development of high-efficiency power management IC, including an integrated energy storage unit, which is designed for low-voltage sources to overcome the essential impediments in EM transduction at the micro-scale.