[논문 리뷰] Design, Fabrication and Characterization of a Piezoelectric Microgenerator Including a Power Management Circuit

M. Marzencki, Y. Ammar외 1명|ArXiv.org|2008. 02. 21.

Innovative Energy Harvesting Technologies참고 문헌 3인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 약 1 kHz에서 주변 기계적 진동을 수확하는 CMOS 호환성 있는 펄스전압 미크로발전기인 알루미늄 나이트라이드(AlN) 박막을 사용하여, 하위 밀리볼트 신호를 효율적으로 정류하기 위한 맞춤형 저임계 전압 전원 관리 ASIC를 통합한 소형 장치를 제시한다. 시스템은 1 mm³ 이하의 부피를 차지하며 최대 1 µW의 전력을 생성하여 자기 구동 무선 센서 노드를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자율 무선 센서 노드에서 에너지 수확을 위한 소형화되고 CMOS 호환성 있는 펄스전압 미크로발전기를 개발하기 위해.
• 약한 기계적 진동으로부터 발생하는 극히 낮은 입력 전압을 유용한 일정 전원으로 효율적으로 변환하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 하위 밀리볼트 수준의 입력 전압에서 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해 맞춤형 저임계 전압 전원 관리 회로를 통합하기 위해.
• 임베디드 응용 분야에 적합한 1 mm³ 이하의 부피를 갖춘 완전히 패키징된 소형 미크로발전기를 구현하기 위해.

제안 방법

• CMOS 호환 공정을 통해 제조된 알루미늄 나이트라이드(AlN) 박막을 펄스전압 재료로 사용한다.
• 주변 기계적 진동에서 약 1 kHz에서 공진하도록 설계된 MEMS 기반 캔틸레버 구조를 활용한다.
• 약한 가속도로 발생하는 매우 낮은 교류 전압(하위 밀리볼트 수준까지)을 정류하기 위해 저임계 전압 다이오드를 탑재한 맞춤형 ASIC를 통합한다.
• 성능 최적화를 위해 이산형 듀얼러-정류기와 완전한 맞춤형 전원 관리 회로의 두 가지 정류 솔루션을 비교한다.
• 단일 소형 패키지에 펄스전압 발전기와 전원 관리 회로를 통합하는 단일체 통합 기법을 적용한다.
• 제어된 진동 자극 조건 하에서 출력 전력, 전압 및 효율을 다양한 입력 가속도 수준에서 측정하기 위해 장치를 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 전원 관리 회로를 갖춘 CMOS 호환성 있는 펄스전압 미크로발전기가 저진폭 1 kHz 주변 진동에서 효과적인 에너지 수확을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 초저임계 전압 다이오드를 탑재한 맞춤형 ASIC 통합은 하위 밀리볼트 수준의 입력 전압에서 정류 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 실제 주변 진동 조건 하에서 부피가 1 mm³ 이하인 미크로발전기에서 확보할 수 있는 최대 출력 전력은 얼마인가?
• RQ4 이산형 듀얼러-정류기와 완전한 맞춤형 ASIC 기반 전원 관리 솔루션 간의 효율성 및 면적 효율성 측면에서 성능 특성은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 시스템은 에너지 수확을 통해 무선 센서 노드의 자가 지속 작동을 어느 정도 가능하게 하는가?

주요 결과

• 제작된 미크로발전기는 1 kHz 기계적 진동 자극 하에서 저진폭 진동에 해당하는 입력 가속도 조건에서 최대 1 µW의 출력 전력을 확보한다.
• 저임계 전압 다이오드를 탑재한 맞춤형 ASIC는 100 mV 이하의 입력 전압을 효과적으로 정류하여, 약한 진동 원천에서의 효율을 크게 향상시킨다.
• 전체 시스템 부피는 1 mm³ 이하이며, 소형화 응용 분야에 적합한 높은 통합 밀도를 입증한다.
• 전원 관리 회로는 매우 낮은 입력 신호 진폭에서도 안정적인 일정 전압 출력을 가능하게 하여 발전기의 작동 범위를 넓힌다.
• 장치는 주변 진동 에너지 수확을 통해 자율 무선 센서 노드를 구동하는 데 실현 가능성을 입증한다.
• 완전한 맞춤형 ASIC 솔루션은 변환 효율성과 면적 효율성 측면에서 이산형 듀얼러-정류기보다 뛰어나며, 통합의 이점을 검증한다.