Fully Integrated High-Performance MEMS Energy Harvester for Mechanical and Contactless Magnetic Excitation in Resonance and at Low Frequencies

微电子机械系统 激发 共振(粒子物理) 材料科学 机械共振 核磁共振 能量(信号处理) 光电子学 电气工程 声学 工程类 物理 原子物理学 振动 量子力学
作者
Mani Teja Bodduluri,Torben Dankwort,Thomas Lisec,Sven Grünzig,Anmol Khare,Minhaz Ahmed,Björn Gojdka
出处
期刊:Micromachines [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:13 (6): 863-863 被引量:13
标识
DOI:10.3390/mi13060863
摘要

Energy harvesting and storage is highly demanded to enhance the lifetime of autonomous systems, such as IoT sensor nodes, avoiding costly and time-consuming battery replacement. However, cost efficient and small-scale energy harvesting systems with reasonable power output are still subjects of current development. In this work, we present a mechanically and magnetically excitable MEMS vibrational piezoelectric energy harvester featuring wafer-level integrated rare-earth micromagnets. The latter enable harvesting of energy efficiently both in resonance and from low-g, low-frequency mechanical energy sources. Under rotational magnetic excitation at frequencies below 50 Hz, RMS power output up to 74.11 µW is demonstrated in frequency up-conversion. Magnetic excitation in resonance results in open-circuit voltages > 9 V and RMS power output up to 139.39 µW. For purely mechanical excitation, the powder-based integration process allows the realization of high-density and thus compact proof masses in the cantilever design. Accordingly, the device achieves 24.75 µW power output under mechanical excitation of 0.75 g at resonance. The ability to load a capacitance of 2.8 µF at 2.5 V within 30 s is demonstrated, facilitating a custom design low-power ASIC.

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