낮은 가속도 환경에 적용하기 위한 에너지 수확소자 개발 및 CMOS 저장 회로 설계
Energy Harvesting Device and CMOS Storage Circuit Design for Low Acceleration Environment
- 주제(키워드) Energy harvesting , low acceleration environment
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 윤광석
- 발행년도 2013
- 학위수여년월 2013. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000049331
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록/요약
This paper presents buckling energy harvesting device for low vibration acceleration environment. Also, CMOS energy storage circuit has been designed for power-efficient energy conversion. To harvest energy from environmental vibration, such as under acceleration of 1 g, we used buckling energy harvester with flexible sidewalls. A pre-buckled bridge beam generates impulsive force by snap-through phenomenon, and it is applied to the attached piezoelectric cantilever beam, which is adhered to the center of the bridge beam. This buckling snap-through process converts low frequency of environmental vibration into natural vibration of the cantilever beam at high resonant frequency and resulted in the improvement of the efficiency of the output power. The proposed energy harvester enables snap-through at low acceleration of 0.05 g. The measured peak power of buckling harvester with latex sidewalls is 10 times larger than that of conventional fixed-end piezoelectric cantilever beam with the same size. The energy storage circuit is implemented with a 0.35 μm CMOS process. Full-wave CMOS rectifier using self start-up mechanism is controlled by two comparators. The simulated power efficiency of designed circuit is about 91.2 %.
more초록/요약
본 논문에서는 낮은 가속도를 가지는 진동에너지를 수확할 수 있는 에너지 수확 소자를 제안하고, 이 에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 CMOS 에너지 저장 회로를 설계한다. 주변 환경의 낮은 가속도와 낮은 주파수를 가지는 진동 에너지를 수확하기 위하여, 유연한 벽면을 적용한 버클링 구조의 에너지 수확 소자를 고안하였다. 미리 양 벽면에 힘을 가하여 buckled-up 또는 buckled-down 된 상태의 브리지 빔에 상하 진동이 가해졌을 시 발생하는 snap-through 현상을 이용한다. 브리지 빔의 중앙에 부착된 압전 방식 캔틸레버 빔에 충격력이 유도되어 주파수가 상향 변환되는 원리를 통하여, 출력 전압과 전력의 효율을 증가시킨다. 유연한 벽면의 적용으로, 0.05 g의 낮은 가속도를 가지는 진동에서도 snap-through 현상이 발생하였다. Latex 벽면을 적용하여 제작한 수확 소자의 최대 출력 전력은 같은 크기의 한 쪽 끝이 고정된 캔틸레버 구조와 비교하여 10배 크게 나타난다. 에너지 수확 회로는 0.35 μm CMOS 공정을 기반으로 설계하였다. Self start-up mechanism 방식이 적용된 CMOS 전파 정류기는 비교기에 의해 스위칭되며, 수확한 에너지의 최대 전력 변환 효율은 91.2 %를 나타낸다.
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