[논문 리뷰] Characterisation of an Electrostatic Vibration Harvester

Tom Sterken, G. Altena외 2명|ArXiv.org|2008. 02. 21.

Innovative Energy Harvesting Technologies참고 문헌 3인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 전기화학적 고체(electret)에 의해 극화되는 가변 커패시터를 사용하여 주변 기계적 진동을 전기 에너지로 변환하는 마이크로기계 전기진동 수확기를 제시한다. 두 웨이퍼 실리콘 공정을 통해 제작된 프로토타입은 외부 극화 및 전기화학적 고체 기반 작동 조건에서 모두 에너지 수확을 성공적으로 구현하여, MEMS 장치에서 전기화학적 고체 기반 전기진동 에너지 변환의 실현 가능성을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 주변 진동 에너지를 이용하여 소형이고 자율적인 전원 공급 장치를 개발하기 위해.
• 배터리에 의존하는 시스템의 한계를 해결하기 위해 에너지 수확을 통해 자율 작동을 가능하게 하기 위해.
• 전기화학적 고체 극화를 이용한 가변 커패시터 기반의 마이크로기계 전기진동 수확기의 설계 및 특성화를 위해.
• 장기 작동을 위한 외부 전압원 대체로 전기화학적 고체 기반 극화의 실현 가능성을 검증하기 위해.
• 외부 극화 및 전기화학적 고체 극화 모드에서 모두 프로토타입 수확기가 성공적으로 작동함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 수확기의 거동 분석 및 설계를 위해 집중 모델을 개발하였다.
• 기계적 진동이 커패시턴스를 조절하는 가변 커패시터 구조를 수확기가 사용한다.
• 영구 극화를 제공하기 위해 전기화학적 고체 재료를 통합하여 외부 바이어스 전압이 필요 없도록 하였다.
• 정밀한 마이크로스케일 기계적 및 전기적 통합을 달성하기 위해 두 웨이퍼 실리콘 공정을 사용하여 장치를 제작하였다.
• 성능 비교를 위해 프로토타입을 외부 극화원과 통합된 전기화학적 고체를 사용하여 테스트하였다.
• 기계적 자극 하에서 가변 커패시터의 에너지 보존 원리를 사용하여 전기진동 에너지 변환을 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로기계 전기진동 수확기가 전기화학적 고체를 이용해 영구 극화를 제공함으로써 효율적인 에너지 변환을 달성할 수 있는가?
• RQ2 외부 극화와 전기화학적 고체 기반 작동 조건 간 수확기 성능은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 MEMS 기반 진동 에너지 수확기에서 전기화학적 고체를 통합하여 자율 작동을 실현할 수 있는가?
• RQ4 집중 모델이 실제 환경 조건에서 수확기의 거동을 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ5 소형 마이크로기계 구조에서 높은 에너지 변환 효율을 달성하기 위한 주요 설계 상충 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 마이크로기계 전기진동 수확기가 주변 진동을 이용해 전기적 출력을 성공적으로 생성하였다.
• 프로토타입은 외부 극화 및 전기화학적 고체 기반 작동 조건에서 모두 기능적인 에너지 수확을 보여주어 전기화학적 고체 접근법의 타당성을 확인하였다.
• 전기화학적 고체의 사용으로 외부 바이어스가 필요 없어져 완전히 자율 작동이 가능해졌다.
• 집중 모델은 수확기의 설계 및 성능 예측에 신뢰할 수 있는 기반을 제공하였다.
• 두 웨이퍼 실리콘 제조 공정은 기계적 및 전기적 구성 요소의 정밀 통합을 가능하게 하여 구조적 및 전기적 안정성을 확보하였다.
• 수확기는 측정 가능한 출력 전력을 확보하여 MEMS 스케일 장치에서 전기진동 에너지 변환의 이론 원리를 검증하였다.