[논문 리뷰] A High Power Density Electrostatic Vibration-to-Electric Energy Converter Based On An In-Plane Overlap Plate (IPOP) Mechanism

Ayyaz Mahmood Paracha, P. Basset외 4명|ArXiv.org|2008. 02. 21.

Innovative Energy Harvesting Technologies참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 배터리 없는 MEMS 기반 진동 에너지 수확을 위한 고출력 밀도 전기적 진동-전기 에너지 변환기인 인-플레인 오버랩 플레이트(IPOP) 메커니즘을 사용한 배터리 없는 MEMS 기반 진동 에너지 수확 장치를 제시한다. 뒷면 DRIE 공정을 통해 부속용량을 감소시키면서도 질량 손실를 최소화함으로써, 공진 주파수 290 Hz에서 시뮬레이션된 출력 밀도가 76.71 µW/cm³에 도달하여 기존 방법에 비해 뚜렷한 향상을 이룬다.

ABSTRACT

In this paper, design, fabrication and characterization issues of a bulk silicon-based, vibration powered, electric energy generator are addressed. The converter is based on an In-Plane Overlap Plate (IPOP) configuration [1]. Measurements have shown that with a theoretically lossless electronics and a starting voltage of 5 V, power density of 58 $μ$W/cm3 is achievable at the resonance frequency of 290 Hz. It can be further improved by reducing the parasitic capacitance, which can be achieved by silicon etching, but a considerable mass is lost. In [2], it is shown that 19% of mass reduction improves power density from 12.95 $μ$W/cm3 to 59 $μ$W/cm3. Hence an enhancement in fabrication process is proposed, which is termed as Backside DRIE. It helps in increasing power density without loosing an important quantity of mass. Simulations have shown that 2.5% of mass removal improves power density up to 76.71 $μ$W/cm3. Initial simulation results and problems of associated electronics are also discussed.

연구 동기 및 목표

• MEMS 응용에 적합한 고출력 밀도 전기적 진동 에너지 수확 장치의 개발.
• 전기적 에너지 수확 장치에서 부속용량 감소와 구조적 질량 유지 간의 상충 관계 해결.
• 질량 감소 없이도 공정 최적화를 통해 출력 밀도 향상.
• 실용적인 진동 에너지 수확에 있어 배터리 없는 실리콘 기반 IPOP 메커니즘의 실현 가능성 입증.

제안 방법

• 이동 가능한 전극과 고정 전극 간의 전기적 결합을 극대화하기 위해 인-플레인 오버랩 플레이트(IPOP) 구성을 사용한다.
• 부속용량 감소와 함께 질량 손실 최소화를 위해 뒷면 깊은 반응 이온 에칭(Backside DRIE) 공정을 도입한다.
• 고집적성과 기계적 내구성을 확보하기 위해 배터리 없는 실리콘에서 장치를 제작한다.
• 다양한 질량 감소 수준에서 출력 밀도 향상 정도를 평가하기 위해 시뮬레이션을 수행한다.
• 이론적 분석은 손실 없는 전자기기와 5 V의 초기 전압을 가정하여 최대 달성 가능한 출력 밀도를 추정한다.
• 초기 시스템 통합을 고려하여 전하 펌프 및 임피던스 매칭 등의 전자기기 문제를 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IPOP 메커니즘은 배터리 없는 실리콘 기반 전기적 에너지 수확 장치에서 고출력 밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 부속용량은 출력 밀도에 어떤 영향을 미치며, 구조적 질량을 훼손하지 않고 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 기존 에칭 방법에 비해 뒷면 DRIE가 출력 밀도 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 이deal한 전자기기 조건에서 이론적으로 도달 가능한 출력 밀도의 상한선은 무엇인가?
• RQ5 공정에 기인한 질량 손실은 에너지 수확 장치의 전체 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 5 V의 초기 전압과 손실 없는 전자기기 조건에서 IPOP 기반 수확 장치는 290 Hz 공진 주파수에서 출력 밀도 58 µW/cm³를 달성한다.
• 19%의 질량 감소로 출력 밀도가 12.95 µW/cm³에서 59 µW/cm³로 향상되어, 성능이 부속용량에 매우 민감함을 입증한다.
• 뒷면 DRIE를 통해 2.5%의 질량 감소를 달성했고, 이로 인해 출력 밀도가 76.71 µW/cm³로 상승하여 기존 질량 감소 기법보다 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 이론적 시뮬레이션은 공정 최적화를 추가로 수행할 경우 출력 밀도 향상이 상당히 가능함을 확인한다.
• 초기 시뮬레이션 결과 전자기기 통합이 여전히 주요 과제로 남아 있으며, 특히 전하 관리 및 임피던스 매칭 측면에서 도전 과제가 있다.