Σχεδιασμός και κατασκευή μικρογεννήτριας για τη συλλογή ενέργειας από μηχανικές δονήσεις

Abstract

The research conducted during this thesis involves the “Design, Fabrication and Characterization of a Vibrational Piezoelectric Microgenerator”, with use in wireless sensor networks, to make them autonomous. At the beginning, there is a review on some the latest cantileverd-based MEMS piezoelectric microgenerators and their characteristics. Also, there is a small review on the field of Piezotronics and its applications. The prototype microgenerator developed and presented in this thesis is a combination of MEMS technology and nanostructures of the piezoelectric material ZnO, able to convert low vibrations (~100Hz) into electricity. After, there is an extensive review on the basic equations that have been taken into account for the optimization of the design and fabrication processes. Arrays of vertical nanowires as well as uniform nanotextured films of ZnO were fabricated, simulated and characterized, taking into account the influence of each parameter. The MEMS microgenerators were successfully fabricated, packaged and characterized to achieve optimum results. Finally, an alternative approach on the fabrication of flexible nanogenerators is presented. Nanogenerators with either Au or Al electrodes were fabricated on flexible substrates, providing power outputs up to 30nWatts on an external load of 2MΩ.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στο σχεδιασμό και την κατασκευή μιας μικρογεννήτριας που συλλέγει ενέργεια από τις μηχανικές δονήσεις του περιβάλλοντος. Η μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική καθίσταται δυνατή μέσω του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου και ειδικής κατηγορίας υλικών που έχουν αυτή την ιδιότητα. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον ως προς τις πιεζοηλεκτρικές του ιδιότητες και την ποικιλία δομών που μπορεί να προσφέρει παρουσιάζει το ZnO, το οποίο χρησιμοποιείται ως το ενεργό στοιχείο για την κατασκευή των μικρογεννητριών στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Ο σκοπός μιας τέτοιας διάταξης έγκειται στη μετέπειτα ολοκλήρωσή του με ένα κύκλωμα χαμηλής ισχύος, αποτελώντας την πηγή τροφοδοσίας του, με αποτέλεσμα την ενεργειακή του αυτονόμηση. Αρχικά γίνεται μια αναφορά σε πιεζοηλεκτρικές MEMS μικρογεννήτριες που έχουν κατασκευαστεί τα τελευταία χρόνια και παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά τους. Επίσης, γίνεται μια εκτενής εισαγωγή στο νέο πεδίο της Πιεζοτρονικής, το οποίο ασχολείται με την εμφάνιση και τον έλεγχο πιεζοηλεκτρικού δυναμικού σε νανοδομές διαφόρων υλικών. Η πρωτοτυπία των μικρογεννητριών που παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή έγκειται στο συνδυασμό της τεχνολογίας MEMS με νανοδομές από ZnO ως πιεζοηλεκτρικό υλικό. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές εξισώσεις που διέπουν την αρχή λειτουργίας μιας πιεζοηλεκτρικής μικρογεννήτριας, με έμφαση στην πιεζοηλεκτρική πτώση τάσης σε νανοδομές ZnO, όταν αυτές υπόκεινται σε μηχανική παραμόρφωση. Παρουσιάζονται τα βέλτιστα γεωμετρικά χαρακτηριστικά για το σωστό σχεδιασμό των MEMS μικρογεννητριών τύπου αιωρούμενης προβόλου με συχνότητα φυσικής ταλάντωσης στα 100Hz. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της ανάπτυξης πολύπλοκων νανοδομών, αλλά και νανοδομημένων λεπτών υμενίων από ZnO, τα οποία είναι το βασικό στοιχείο των μικρογεννητριών που κατασκευάστηκαν. Στη συνέχεια οι μικρογεννήτριες χαρακτηρίστηκαν ώστε να διαπιστωθούν τα βέλτιστα ηλεκτρικά και πιεζοηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους. Τέλος, παρουσιάζεται και μία εναλλακτική προσέγγιση κατασκευής νανογεννητριών, σε εύκαμπτα υποστρώματα με σκοπό τη χρήση αυτής της τεχνολογίας σε φορετές διατάξεις. Η τάση εξόδου κυμάνθηκε σε μερικά Volts με αντίστοιχο ρεύμα εξόδου μερικές εκατοντάδες nΑ για ελεγχόμενες μηχανικές δονήσεις. Οι τυπικές τιμές ισχύος εξόδου από τις εύκαμπτες νανογεννήτριες κυμάνθηκαν μεταξύ 3-30nW.