Energy Harvesting Power Supply for MEMS Applications

Tato práce se zabývá vývojem nezávislého elektrického zdroje pro moderní nízkopříkonové elektrické aplikace. Protože tradiční řešení napájení drobných spotřebičů s využitím baterií či akumulátorů snižuje uživatelský komfort kvůli potřebě pravidelné údržby, navrhovaný zdroj využívá principu energy harvesting. Tento princip spočívá v získávání energie přímo z okolního prostředí napájené aplikace a její přeměně na energii elektrickou, která je dále využita pro na-pájení moderních MEMS (mikroelektromechanických) zařízení. Potenciální aplikací vyvíjeného zdroje je především moderní nositelná elektronika a biomedicínské senzory. Tato oblast využití ovšem klade zvýšené nároky na parametry generátoru, který musí zajistit dostatečný generovaný výkon z energie, dostupné v okolí lidského těla, a to při zachování prakticky využitelné velikosti a hmotnosti. Po stanovení předběžných požadavků a provedení analýz vhodnosti dostupných zdrojů energie ke konverzi byla k využití vybrána kinetická energie lidských aktivit. Byla provedena série měření zrychlení na lidském těle, především v místě předpokládaného umístění generátoru, aby bylo možno analyzovat a generalizovat hodnoty energie dostupné ke konverzi v daném umístění. V návaznosti na tato měření a analýzy byl vyvinut inovativní kinetický energy harvester, který byl následně vyroben jako funkční vzorek. Tento vzorek byl pak testován v reálných podmínkách pro verifikaci simulačního modelu a vyhodnocení reálné použitelnosti takového zařízení. Kromě samotného vývoje generátoru je v práci popsán i originální způsob zvýšení generovaného výkonu pro kinetické energy harvestery a jsou prezentována statistická data a modely pro predikci využitelnosti kinetických harvesterů pro získávání energie z lidské aktivity.This thesis deals with the development of an independent power source for modern low-power electronic applications. Since the traditional approach of powering small applications by means of primary or secondary batteries lowers the user comfort of using such a device due to the necessary periodical maintenance, the novel power source is using the energy harvesting approach. This approach means that the energy is scavenged from the ambience of the powered application and converted into electricity in order to satisfy the power requirements of the newest MEMS electrical devices. The target applications for the new energy harvesting device are seen in wearable and biomedical electronic devices. That places challenging requirements on the energy harvester, as it has to harvest sufficient energy from the ambience of human body, while fulfilling practical size and weight constraints. After the preliminary requirements setting and analyses of possible sources of energy a kinetic energy harvesting principle is selected to be employed. A series of measurements is then conducted to obtain and generalize the kinetic energy levels available in the human body during various activities. A novel design of kinetic energy harvester is then introduced and developed into the form of a functional prototype, on which the actual performance is evaluated. Aside from the actual new harvester design, the thesis introduces an original way of improving the power output of the inertial energy harvesters and provides statistical data and models for the human energy harvesting usability prediction.