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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-85489
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8548/


Kloub, Hussam

High effectiveness micro electro mechanical capacitive transducer for kinetic energy harvesting

Hocheffizienter mikroelektromechanischer kapazitiver Wandler für bewegungsbasiertes Energy Harvesting

Dokument1.pdf (3.466 KB)

Kurzfassung in Deutsch

In dieser Dissertation wird die Modellierung, der Entwurf, die Herstellung und die experimentelle Charakterisierung eines mikroelektromechanischen kapazitiven Wandlers, welcher für das Ernten von Energie (Energy Harvesting) eingesetzt wird, behandelt. Die größte Herausforderung besteht darin, genügend elektrische Energie zu gewinnen, um reale mikrosystemtechnische Anwendungen betreiben zu können. Dies wird durch eine wohldefinierte Designstrategie erreicht, mittels derer eine maximale Änderungsrate der Kapazität erzielt wird.
Der kapazitive Wandler liegt in verschiedenen Konfigurationen vor. Verglichen mit der zwei-komplementären Variante zeigt ein einziger variabler Kondensator eine größere Änderungsrate der Kapazität und einen geringeren Innenwiderstand. Mittels der auf Flächenüberlappung basierenden Topologie kann im Vergleich zur auf Abstandsänderung beruhenden Topologie eine höhere Leistung gewonnen werden. Die entsprechenden Ergebnisse werden verwendet, um einen ersten Prototyp des kapazitiven Energiewandlers zu bauen.
Das neue, resonante Bauteil ist mit flächenüberlappenden Kammstrukturen ausgestattet, welche sich in der Ebene bewegen können. Der Chip wurde in einer SOI MEMS Technologie hergestellt, die Chipgröße beträgt 6x7mm². Die maximal mögliche Änderungsrate der Kapazität beträgt 66.3pF. Die experimentell gewonnenen Ergebnisse übertreffen den Stand der Technik. Wenn das Bauteil mit einer sinusförmigen Beschleunigung mit einer Amplitude von 1g und einer Frequenz von 1740Hz angeregt wird, wird eine Spannung von 5.7Vp-p an einer 740K-Last erzeugt, wobei eine Bias-Gleichspannung von 25V benötigt wird. Die Bandbreite beträgt 230Hz.


Kurzfassung in Englisch

This dissertation presents the modeling, design, fabrication and experimental characterization of a micro electromechanical capacitive transducer for kinetic energy harvesting. The main challenge is to design a feasible energy harvester, which generates sufficient electrical energy, for the real life microsystems application. Such reliable harvester is achieved by a well defined design strategy, where maximum capacitance rate of change is achieved.
The capacitive harvester can be in different configurations. The one variable capacitor exhibits better performance comparing with two-complementary variable capacitor, in terms of larger capacitance rate of change and smaller internal impedance. The area overlapping capacitor topology shows a better electrical power generation response comparing with gap variation capacitor topology. The comparison results are utilized to design the first prototype of capacitive energy harvester.
The new design is an in-plane resonant device, with comb structures comprising an area overlapping capacitor. The device is 6x7mm2 chip size, fabricated based on SOI MEMS technology. The possible maximum capacitance change is 66.3pF. New top state of the art experimental results are observed. The device generates a 5.7Vp-p at 740Kload, when it is electrically biased by a DC voltage of 25V, and mechanically excited by a sinusoidal acceleration signal with amplitude of 1g, and a frequency of 1740Hz. The device exhibits a broad bandwidth of 230Hz.


SWD-Schlagwörter: Kapazitiv Wandler , Energiewandlung , Mikro elektrischer mechanischer Wandler
Freie Schlagwörter (englisch): Energy harvesters , capacitive harvesters , micro electro mechanical transducers
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Manoli, Yannos (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 08.02.2012
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 27.04.2012
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