Piezoelectric Energy Harvesting Thesis

HAL Id: tel-02168673
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Submitted on 29 Jun 2019
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Etude de dispositifs piézoélectriques et de leurs
interfaces pour la récupération d’énergie
Ya Shan Shih
To cite this version:
Ya Shan Shih. Etude de dispositifs piézoélectriques et de leurs interfaces pour la récupération d’énergie.
Energie électrique. Université Paris Saclay (COmUE); National Taiwan University (Taipei), 2018.
Français. �NNT : 2018SACLN007�. �tel-02168673�

de l’établissement co-délivrant le doctorat en
cotutelle internationale de thèse
(Cadre à enlever)
Designs for MEMS and Bulk-Sized
Piezoelectric Energy Harvesting
Systems for Ultra Low Power and
Bandwidth Extension
Thèse de doctorat de l'Université Paris-Saclay
préparée à l’ENS Cachan
École doctorale n°000 Electrical, Optical, Bio-Physics and
Engineering EOBE
Spécialité de doctorat : Génie Electrique
Thèse présentée et et soutenue à Taipei, le 12 janvier 2018, par
Ya-Shan SHIH
Composition du Jury :
Chih Kung Lee
Distinguished Professeur, National Taiwan University Président
Wei-Hsin Liao
Professeur, The Chinese University of Hong Kong Rapporteur
Adrien Badel
Maître de conférences, Université Savoie Mont-Blanc (SYMME) Rapporteur
Mickael Lallart
Maître de conférences, INSA Lyon (LGEF) Examinateur
Dejan Vasic
Maître de conférences, Université de Cergy-Pontoise (SATIE) Directeur de thèse
Wen-Jong Wu
Professeur, National Taiwan University Directeur de thèse
François Costa
Professeur, Université Paris-Est (SATIE) Co-Directeur de thèse
Yi-Chung Shu
Distinguished Professor, National Taiwan University Examinateur
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Titre : Etude de Systems de Recuperation d’Energie de très faible puissance et
large bande
Mots clés : piézoélectricité, récupération d’énergie, convertisseur très faible
puissance, extension de la bande passante
Résumé : La récupération d'énergie
ambiante permet d’alimenter de
manière autonome des systèmes de
petite taille tels que des neouds de
capteurs ou des objets connectés à
internet (IoT) en remplacement des
batteries. Les sources d’énergie
ambiante sont par exemple, l’énergie
solaire, le gradient thermique, les
forces mécaniques, le rayonnement
électromagnétique et la pile
microbienne. Les matériaux
piézoélectriques permettent de
valoriser électriquement l’énergie
mécanique de vibration en la
convertissant directement en énergie
électrique. Les niveaux de puissance
assez faible (de quelques μW au mW)
ont amené à développer des
interfaces électriques de récupération
afin d’extraire le maximum d'énergie
en améliorant le couplage
électromécanique.
Dans ce travail, nous nous
intéressons à l’amélioration de
dispositif de récupération d’énergie.
Deux aspects sont abordés : dans un
premier temps l’étude d’un
commutateur hybride synchrone
électrique-mécanique est faite pour
remplacer le transistor MOSFET
couramment utilisé, afin de réduire sa
consommation d’énergie ; dans un
deuxième temps, un travail est mené
sur une nouvelle structure mécanique
à base de poutres reliées entre elle
par des forces de répulsion
magnétique. La structure obtenue par
cet ensemble de poutres et de type
non-linéaire à plusieurs degrés de
liberté (MDOF) ce qui permet
augmenter la bande passante.

ii

iii
Title : Designs for MEMS and Bulk-Sized Piezoelectric Energy
Harvesting Systems for Ultra Low Power and Bandwidth Extension
Keywords : Energy harvesting system, piezoelectric cantilever beam,
beam arrays, bandwidth expansion, synchronized switch, low power.
The future trend of Internet
of Things (IoT) is bringing
energy harvesting in to the core
technique due to its requirement
of self-power supplying. For best
customer interface and
eco-friendly issues, additional
sensing systems are to be
designed small, wireless and
self-powering. Energy harvesting
provides a way to realize the
wireless self-powered system, it
enables the device itself to obtain
its own energy from their
environment. Solar energy,
thermal gradient, mechanical
forces, are some commonly seen
methods to obtain energy from
the environment. The
piezoelectric energy harvester is
chosen to harvest vibrational
energy in this study.
In this work, a simple model of the
original electrical smart switch
driven under ultra-low power is
proposed. By using the miniature
device to drive the smart switch,
the efficiency when low power is
provided was examined. To
construct an energy harvesting
system in a more complete aspect,
two newly proposed methods are as
below: First, the
hybrid-electrical-mechanical
switches were utilized to replace
the commonly seen electrical smart
switches, to reduce its energy
consumption such as threshold loss.
Secondly, we designed a new
mechanical structure for the
cantilever array by connecting the
beams using magnetic repelling
force. In this way, the beams within
the array were connected
physically, forming a nonlinear
multi-degree of freedom (MDOF)
-like result.