[論文レビュー] Characterisation of an Electrostatic Vibration Harvester

Tom Sterken, G. Altena+2 more|ArXiv.org|Feb 21, 2008

Innovative Energy Harvesting Technologies参考文献 3被引用数 14

ひとこと要約

本論文では、エレクトレットによって偏光される可変コンデンサを用いて、周囲の機械的振動を電気エネルギーに変換するマイクロマシン加工された静電型振動発電機を提示している。2ウェーバー素子を用いたプロトタイプは、外部偏光およびエレクトレットベースの動作の両方でエネルギー収集を成功裏に実証し、MEMSデバイスにおけるエレクトレットベースの静電エネルギー変換の実現可能性を検証した。

ABSTRACT

Harvesting energy from ambient vibration is proposed as an alternative to storage based power supplies for autonomous systems. The system presented converts the mechanical energy of a vibration into electrical energy by means of a variable capacitor, which is polarized by an electret. A lumped element model is used to study the generator and design a prototype. The device has been micromachined in silicon, based on a two-wafer process. The prototype was successfully tested, both using an external polarization source and an electret.

研究の動機と目的

• 周囲の振動エネルギーを活用して、低消費電力電子システムのためのコンactで自律的な電源を実現すること。
• バッテリ依存型システムの限界を克服し、エネルギー収集によって自律的運転を可能にすること。
• 可変コンデンサを用いたエレクトレット偏光に基づくマイクロマシン加工された静電型振動発電機の設計および特性評価を行うこと。
• 長期間運用を想定した外部電圧源に代わるエレクトレットベースの偏光の実現可能性を検証すること。
• 外部偏光およびエレクトレット偏光モードの両方で、発電機プロトタイプが正常に動作することを実証すること。

提案手法

• 発電機の挙動を解析・設計するため、等価回路モデルを構築した。
• 機械的振動によってコンデンサ容量が変化する可変コンデンサ構造を採用した。
• 外部バイアス電圧の必要性を排除するために、永久偏光を提供するエレクトレット材料を統合した。
• 正確なマイクロスケールの機械的および電気的統合を実現するため、2ウェーバー素子を用いたシリコンプロセスでデバイスをプロトタイピングした。
• 性能を比較するために、外部偏光源および統合されたエレクトレットを用いてプロトタイプをテストした。
• 機械的励振下における可変コンデンサのエネルギー保存則に基づき、静電エネルギー変換をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロマシン加工された静電型振動発電機は、永久偏光を提供するエレクトレットを用いて、効率的なエネルギー変換を達成できるか？
• RQ2 外部偏光とエレクトレットベースの動作の両方における発電機の性能は、どのように比較できるか？
• RQ3 MEMSベースの振動エネルギー発電機にエレクトレットを統合することで、自律的運用が可能になるか？
• RQ4 等価回路モデルは、実際の運用条件下での発電機挙動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 コンactでマイクロマシン加工された構造で高いエネルギー変換効率を達成するための主な設計的妥当性とは何か？

主な発見

• マイクロマシン加工された静電型振動発電機は、周囲の振動を利用して電気的出力を効果的に発生させた。
• プロトタイプは、外部偏光およびエレクトレットベースの動作の両方で正常にエネルギー収集を実現し、エレクトレットアプローチの有効性を確認した。
• エレクトレットの使用により、外部バイアス電圧の必要性が排除され、完全な自律的運用が可能になった。
• 等価回路モデルは、発電機の設計および性能予測の信頼できる基盤を提供した。
• 2ウェーバー素子を用いたシリコンプロセスにより、機械的および電気的部品の正確な統合が可能となり、構造的および電気的安定性が確保された。
• 発電機は測定可能な出力電力を達成し、MEMSスケールデバイスにおける静電エネルギー変換の理論的原則の妥当性を検証した。