[論文レビュー] Design, Fabrication and Characterization of a Piezoelectric Microgenerator Including a Power Management Circuit

M. Marzencki, Y. Ammar+1 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、1 kHz付近の周囲の機械的振動を収集する、コンパactでCMOS互換性を持つアルミニウムナイトライド薄膜を用いた圧電マイクロ発電機を提案する。低しきい値電圧のパワーマネジメントASICを統合し、1 mV未塔の信号を効率的に整流する。システムは1 mm³未塔の体積を実現し、最大1 µWの電力を発生させ、自己駆動型無線センサーノードの実現を可能にする。

ABSTRACT

We report in this paper the design, fabrication and experimental characterization of a piezoelectric MEMS microgenerator. This device scavenges the energy of ambient mechanical vibrations characterized by frequencies in the range of 1 kHz. This component is made with Aluminum Nitride thin film deposited with a CMOS compatible process. Moreover we analyze two possible solutions for the signal rectification: a discrete doubler-rectifier and a full custom power management circuit. The ASIC developed for this application takes advantage of diodes with very low threshold voltage and therefore allows the conversion of extremely low input voltages corresponding to very weak input accelerations. The volume of the proposed generator is inferior to 1mm3 and the generated powers are in the range of 1$μ$W. This system is intended to supply power to autonomous wireless sensor nodes.

研究の動機と目的

• 自律型無線センサーノードにおけるエネルギー収集を目的とした、小型化され、CMOS互換性を持つ圧電マイクロ発電機の開発。
• 微弱な機械的振動から生じる極めて低い入力電圧を、実用的なDC電力に効率的に変換する課題の解決。
• サブミリボルト入力レベルでのエネルギー変換効率を向上させるために、カスタム低しきい値電圧パワーマネジメント回路の統合。
• 1 mm³未塔の体積を実現した完全にパッケージングされたコンパクトなマイクロ発電機の実証。

提案手法

• 圧電材料として、CMOSプロセスと互換性を持つアルミニウムナイトライド（AlN）薄膜を用いる。
• 周囲の機械的振動で約1 kHzで共振するように設計されたMEMSベースのカンチレバー構造を採用する。
• 微弱な加速度によって発生する非常に低い交流電圧（サブミリボルトレベルまで）を整流するため、低しきい値ダイオードを備えたカスタムASICを統合する。
• 2つの整流ソリューションを比較：離散型ダブル・レクチファイアと、性能最適化のためのフルカスタムパワーマネジメント回路。
• 圧電発電機とパワーマネジメント回路を1つのコンパクトなパッケージにモノリシック統合するアプローチを採用する。
• 制御された振動励起条件下でデバイスを評価し、さまざまな入力加速度における出力電力、電圧、効率を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMOS互換性を持つ圧電マイクロ発電機にパワーマネジメント回路を統合することで、低振幅で1 kHzの周囲の振動からの有効なエネルギー収集が可能になるか？
• RQ2 超低しきい値電圧ダイオードを備えたカスタムASICの統合は、サブミリボルト入力レベルでの整流効率をどのように向上させるか？
• RQ3 実際の周囲の振動条件下で、体積が1 mm³未塔のマイクロ発電機が達成可能な最大出力電力はどの程度か？
• RQ4 離散型ダブル・レクチファイアとフルカスタムASICベースのパワーマネジメントソリューションの間で、効率および面積効率の観点から性能特性にどのような差があるか？
• RQ5 このシステムは、エネルギー回収によって無線センサーノードの自己持続的運用をどの程度可能にするか？

主な発見

• 製造されたマイクロ発電機は、1 kHzの機械的励起条件下で、低レベルの振動に対応する入力加速度に対して最大1 µWの出力電力を達成した。
• 低しきい値ダイオードを備えたカスタムASICにより、100 mV未塔の入力電圧の効果的な整流が可能となり、微弱な振動源に対する効率が顕著に向上した。
• システム全体の体積は1 mm³未塔であり、小型化応用に適した高い統合密度を示した。
• パワーマネジメント回路により、非常に低い入力信号振幅でも安定したDC出力が得られ、発電機の動作範囲が拡大された。
• 周囲の振動エネルギー収集による自律型無線センサーノードの駆動が、本デバイスによって実現可能であることを示した。
• フルカスタムASICソリューションは、変換効率および面積効率の両面で離散型ダブル・レクチファイアを上回り、統合の利点を裏付ける結果となった。