Desenvolupament de microgeneradors inercials electromagnètics en tecnologia de microsistemes per a la recuperació d’energia mecànica residual de l’ambient

Abstract

[cat]Aquesta tesi descriu el desenvolupament d’un microgenerador ressonant compatible amb la tecnologia de Si, especialment adequat per extreure energia mecànica residual de l’ambient. Aquesta mena de font “perpètua” d’energia pot ser molt adient per alimentar sensors abandonats. El disseny d’aquest tipus de microgeneradors electromagnètics consta d’un sensor de moviment i d’un transductor electromagnètic amb un moviment relatiu entre l’imant i la bobina. El principal avantatge d’aquest dispositiu és la simplicitat del disseny per aprofitar les vibracions provinents del motor d’una màquina caracteritzades per presentar una freqüència ben definida però de baixa amplitud. Per poder amplificar-ne l’amplitud, es treballa en condicions de ressonància i s’ajusta la freqüència de ressonància de l’estructura a la de les vibracions. El dispositiu està format per una bobina micromecanitzada i un imant mòbil que actua com a massa inercial en una estructura ressonant. El disseny del microgenerador electromagnètic ressonant es realitza a partir de l’estudi del principi d’operació, que permet modelitzar tant el moviment de la massa inercial com la distribució de les línies del camp magnètic. Mitjançant simulacions per elements finits (ANSYS), s’analitza per una banda la influència de la geometria i materials del ressonador i per altra banda, els paràmetres geomètrics i del material conductor de la microbobina en la tensió i la potència generades. A partir dels resultats obtinguts amb una sèrie de mesures experimentals amb ressonadors amb membranes de Kapton de diferents mides amb la microbobina s’ha realitzat una sèrie de mesures experimentals, per a caracteritzar-los tant a nivell elèctric com a nivell mecànic, i mitjançant diferents simulacions addicionals del dispositiu es realitza un “roadmap” per a l’optimització. Basant-se aquestes primeres conclusions es fabrica un altre joc de prototips amb unes bobines micromecanitzades de Cu en les que s’han inclòs algunes de les optimitzacions. D’una banda, s’ha disminuït l’esmorteïment paràsit, per millorar-ne la ressonància i d’altra banda s’ha incrementat la densitat d’espires i s’ha disminuït la resistència en sèrie de la microbobina, per augmentar-ne la variació de flux. Aquesta reducció de la resistència s’ha aconseguit amb la implementació de processos electroquímics per a fabricar bobines amb pistes més gruixudes. Els resultats obtinguts amb la seva caracterització, se’ls ha comparat amb els d’uns altres prototips amb els mateixos ressonadors però emprant una bobina de fil de Cu convencional enlloc de la microbobina per tal d’estudiar-ne la influència tant a nivell de tensió com de voltatge. Les dades de tensió i potència generades experimentalment amb el microgenerador ja es troben en el rang de les esperades segons l’estat de l’art. De totes maneres, s’analitza la possibilitat de millorar-ho en futures optimitzacions. Les mesures experimentals, a més a més de corroborar el potencial d’aquests prototips, evidencien l’existència d’efectes no lineals. Malgrat que els fenòmens de no linealitat, característics dels polímers, permeten obtenir un increment en l’energia generada, presenten la dificultat de necessitar treballar en condicions de freqüència d’excitació creixent degut al comportament metaestable del ressonador. Donada la importància d’aquests fenòmens sobre el comportament i fins i tot sobre l’aplicabilitat dels dispositius s’estudien els mecanismes que intervenen en la elasticitat dels materials per tal de realitzar una primera anàlisi i modelització dels efectes no lineals i histèresi de les membranes polimèriques. La resolució de les equacions del moviment reescrites per a incloure un terme no lineal en la força recuperadora, ha permès reproduir el comportament observat experimentalment i donar una estimació dels diversos paràmetres que el caracteritzen.

[eng]This thesis describes the design and optimization of a ressonant electromagnetic inertial microgenerator for energy scavenging applications, compatible with Si technology and a relatively high electromechanical coupling with simple designs. It consists of a fixed micromachined coil and a movable magnet (inertial mass) mounted on a resonant structure. This device is well suited for harvesting of mechanical energy from vibrations induced by operating machines which are characterized by a well defined frequency and low displacement amplitudes. Adjusting the resonant frequency of the system to that of the targeted vibrations allows amplification of these low amplitude displacements. ANSYS simulations are carried out to investigate the influence of the coil parameters (density of tracks and tracks cross section) and resonator geometry (resonant frequency and parasitic damping) on the device performance. The experimental mechanical and electrical characterization of a first prototype fabricated with a modular manufacturing process (not optimized) has allowed the validation of the model developed for the inertial electromagnetic microgenerators, which is then used as a roadmap for a number of optimizations for the final device design. Generator prototypes have been fabricated with resonant membranes with different dimensions, using in all cases the same design of electromagnetic transducer. This has allowed investigating the influence of the membrane geometry on the parasitic damping which is a key parameter for the generator performance. In relation to the first prototypes a significant increase in the generated power has been achieved by the implementation of electrochemical processes for the fabrication of coils with thicker metal tracks. The results obtained have shown the ability of these devices to generate power and output voltages in the range of state of the art. The characterization of the fabricated prototypes has allowed to observe the presence of non-linear effects that lead to the appearance of hysteretic vibrational phenomenon and strongly affect the output of the microgenerator. These effects are likely related to the mechanical characteristics of the polymeric membrane, and determine an additional dependence of vibration frequency on the excitation amplitude. Rewriting and solving the equations of movement including a nonlinear term in restoring force leads to a simple model that successfully reproduces the hysteresis of the resonator.