Desenvolupament de microgeneradors inercials electromagnètics en tecnologia de microsistemes per a la recuperació d’energia mecànica residual de l’ambient

Aquesta tesi descriu el desenvolupament d’un microgenerador ressonant compatible amb la tecnologia de Si, especialment adequat per extreure energia mecanica residual de l’ambient. Aquesta mena de font “perpetua” d’energia pot ser molt adient per alimentar sensors abandonats. El disseny d’aquest tipus de microgeneradors electromagnetics consta d’un sensor de moviment i d’un transductor electromagnetic amb un moviment relatiu entre l’imant i la bobina. El principal avantatge d’aquest dispositiu es la simplicitat del disseny per aprofitar les vibracions provinents del motor d’una maquina caracteritzades per presentar una frequencia ben definida pero de baixa amplitud. Per poder amplificar-ne l’amplitud, es treballa en condicions de ressonancia i s’ajusta la frequencia de ressonancia de l’estructura a la de les vibracions. El dispositiu esta format per una bobina micromecanitzada i un imant mobil que actua com a massa inercial en una estructura ressonant. El disseny del microgenerador electromagnetic ressonant es realitza a partir de l’estudi del principi d’operacio, que permet modelitzar tant el moviment de la massa inercial com la distribucio de les linies del camp magnetic. Mitjancant simulacions per elements finits (ANSYS), s’analitza per una banda la influencia de la geometria i materials del ressonador i per altra banda, els parametres geometrics i del material conductor de la microbobina en la tensio i la potencia generades. A partir dels resultats obtinguts amb una serie de mesures experimentals amb ressonadors amb membranes de Kapton de diferents mides amb la microbobina s’ha realitzat una serie de mesures experimentals, per a caracteritzar-los tant a nivell electric com a nivell mecanic, i mitjancant diferents simulacions addicionals del dispositiu es realitza un “roadmap” per a l’optimitzacio. Basant-se aquestes primeres conclusions es fabrica un altre joc de prototips amb unes bobines micromecanitzades de Cu en les que s’han inclos algunes de les optimitzacions. D’una banda, s’ha disminuit l’esmorteiment parasit, per millorar-ne la ressonancia i d’altra banda s’ha incrementat la densitat d’espires i s’ha disminuit la resistencia en serie de la microbobina, per augmentar-ne la variacio de flux. Aquesta reduccio de la resistencia s’ha aconseguit amb la implementacio de processos electroquimics per a fabricar bobines amb pistes mes gruixudes. Els resultats obtinguts amb la seva caracteritzacio, se’ls ha comparat amb els d’uns altres prototips amb els mateixos ressonadors pero emprant una bobina de fil de Cu convencional enlloc de la microbobina per tal d’estudiar-ne la influencia tant a nivell de tensio com de voltatge. Les dades de tensio i potencia generades experimentalment amb el microgenerador ja es troben en el rang de les esperades segons l’estat de l’art. De totes maneres, s’analitza la possibilitat de millorar-ho en futures optimitzacions. Les mesures experimentals, a mes a mes de corroborar el potencial d’aquests prototips, evidencien l’existencia d’efectes no lineals. Malgrat que els fenomens de no linealitat, caracteristics dels polimers, permeten obtenir un increment en l’energia generada, presenten la dificultat de necessitar treballar en condicions de frequencia d’excitacio creixent degut al comportament metaestable del ressonador. Donada la importancia d’aquests fenomens sobre el comportament i fins i tot sobre l’aplicabilitat dels dispositius s’estudien els mecanismes que intervenen en la elasticitat dels materials per tal de realitzar una primera analisi i modelitzacio dels efectes no lineals i histeresi de les membranes polimeriques. La resolucio de les equacions del moviment reescrites per a incloure un terme no lineal en la forca recuperadora, ha permes reproduir el comportament observat experimentalment i donar una estimacio dels diversos parametres que el caracteritzen.