Energy Harvesting Using Screen Printed PZT on Silicon

Abstract

Målet med denne ph.d. afhandling er at designe og fabrikere en miniaturiseret vibrations energi høster baseret på silketrykt PZT tyk film og silicium processerings teknologi. Visionen for vibrations energi høsteren er at eliminere behovet for batterier ved at høste energi fra omkringliggende vibrationskilder for derved at muliggøre autonome trådløse sensor systemer.Vibrations høsteren er en resonator som består af en silicium bjælke der er fastspændt i den ene ende og som fungerer som support for et silketrykt PZT lag. I den frie ende af bjælken er en integreret masse. For at opnå match mellem resonans frekvensen for bjælken og vibrationskilder i lave frekvensområder, skal tykkelse af bjælken være under 100 mikrometer for ikke at kompromittere den total størrelse af høsteren. Fremstillingen af dette udfordrende og skrøbelige design med en bjælketykkelse to størrelsesordner mindre en længde og bredde, er opnået ved hjælp at den høje kontrol og præcision som silicium processeringen tilbyder. Den endelige fabrikationsproces bygger på en rækkefølge hvor silketrykningen af PZT tyk filmen er foretaget i et tidligt stadie med ætsningen af bjælken senere. Ved at silketrykke på en siliciumskive a fuld tykkelse er det muligt at opnå en effektiv højtryksbehandling hvorved PZT egenskaberne bliver forbedret. Kontamineringsproblemer med PZT i ætsningen af bjælken i KOH er løst ved at benytte en mekanisk holder der beskytter siliciumskivens forside.Ved hjælp af en dybdegående karakterisering af den fabrikerede energi høster har det være muligt at validere et udtryk for den generede effekt. Effekten kan beskrives af et udtryk som definerer den maksimale tilgængelige effekt og en multiplikationsfaktor som er under eller lig med 1. Den tilgængelige effekt er proportional med kvadratet af kraften der påvirker bjælken og omvendt proportional med den viskøse dæmpnings koefficient. De senest fabrikerede høstere generer i gennemsnit en effekt på 34.5 µW over en tilsluttet modstand på 50 k? ved en acceleration på 0.5g og en resonans frekvens på 511 Hz. Den højeste registreret effekt fra en høster under samme omstændigheder er 44.9 µW ved en resonans frekvens på 543 Hz. Sammenlignet med andre publicerede høstere i samme kategori, præsterer høsteren udviklet i dette projekt en normaliseret effektdensitet der er 3.5 gange højere end den næstbedste.The objective of the work presented in this Ph.D. thesis is to design and fabricate a miniaturised vibration energy harvester based on screen printed PZT thick film and silicon MEMS processing technology. The vision of the vibration energy harvester is to eliminate the need for batteries by harvesting energy on-site from a vibration source, thereby enabling fully autonomous wireless sensor systems.The vibration harvester is a resonator consisting of a silicon support cantilever with screen printed PZT thick film on top and with an integrated proof mass at the cantilever tip. To achieve matching between the harvesters resonant frequency and vibration sources in the low frequency range, the thickness of the cantilever is required to be in the sub- 100 µm range not to compromise the total dimension of the harvester. Fabricating this challenging and fragile design with the cantilever thickness being two orders of magnitude smaller than the cantilever length and width, is accomplished using the high control and precision of the silicon processing technology. With extensive process development the issue of fragility is minimised, and fabrication yields exceeding 90% are routinely achieved. The final fabrication process features a sequence with screen printing of the PZT thick film at an early stage and cantilever definition by etching at a later stage. Screen printing PZT on a full thickness silicon wafer enables efficient use of a high pressure treatment process with improved performance as a result. Cleanroom contamination issues in the cantilever etching due to the PZT film is solved with a KOH etch where the wafer front side is protected mechanically.From thorough characterisation of the fabricated harvester, it is validated that the power output can be expressed as a power available term and a multiplication factor equal to or less than 1. The available power is proportional to the force acting on the cantilever squared and the inverse of the viscous damping coefficient. The latest fabricated batch of harvesters produced in average 34.5 µW of RMS power over a resistive load of 50 k? with an RMS acceleration of 0.5g at 511 Hz. The best performing devices under similar conditions produced 44.9 µW at 543 Hz. Compared to other state of the art miniaturised vibration energy harvesters, the normalised power density for the harvesters fabricated in this work is 3.5 times higher than the next best harvester