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Piezoelectric energy harvesters have proven to have the potential to be a power source in a wide range of applications. As the harvester dimensions scale down, the resonance frequencies of these devices increase drastically. Proof masses are essential in micro-scale devices in order to decrease the resonance frequency and increase the strain along the beam to increase the output power. In this work, the effects of proof mass geometry on piezoelectric energy harvesters are studied. Different geometrical dimension ratios have significant impact on the resonance frequency, e.g., beam to mass lengths, and beam to mass widths. A piezoelectric energy harvester has been fabricated and tested operating at a frequency of about 4 kHz within the audible range. The responses of various prototypes were studied, and an optimized T-shaped piezoelectric vibration energy harvester design is presented for improved performance.

With the rise of the Internet of Things (IoT) and the ever-increasing number of integrated sensors, the question of powering these devices represents an additional challenge. The traditional approach is to use a battery; however, harvesting energy from the environment seems to be the most practical approach. To that end, the use of piezoelectric MEMS energy has been proven as a potential power source in a wide range of applications. In this work, a proof of concept for a new architecture for MEMS energy harvesters is presented. The influence of the dimensions and different characteristics of these designs is discussed. These designs have been proven to be resilient to process variation thanks to their unique architecture. This work presents the use of vibration enhancement petals in order to widen the bandwidth of the energy harvester and provide a non-linear frequency response. The use of these vibration enhancement petals has allowed the fabrication of three design variations, each using an area of 1700 µm by 1700 µm. These designs have an operating bandwidth between 3.9 kHz and 14.5 kHz and can be scaled to achieve other targeted resonant frequencies.

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En raison de vitesses de commutation plus élevées, de faible résistance à l'état passant et de taille miniaturisée en comparaison avec des contreparties en silicium, l'utilisation de transistors de puissance à base de nitrure de gallium (GaN) est de plus en plus courante dans les circuits de puissances modernes. Avec des figures de mérite supérieures, les convertisseurs de puissance utilisant des dispositifs GaN peuvent fonctionner à des fréquences de commutation élevées. Cela se traduit par des dimensions plus petites, une efficacité supérieure et une réduction du coût du système. La redondance et la reconfigurabilité sont souhaitables dans les applications critiques pour la sécurité telles que les systèmes automobiles et aérospatiaux. Ces derniers fonctionnent dans des conditions difficiles nécessitant un niveau élevé de flexibilité et une grande fiabilité. Ce mémoire présente un circuit de pilotage de grille pour un tel système d'alimentation reconfigurable. Destiné à être au coeur d'un système d'alimentation haute tension (HT) programmable et flexible, le pilote de grille présenté dans ce travail est capable de commander une large gamme de dispositifs GaN de différentes tailles. Cela est accompli en ayant un mécanisme configurable de vitesse de mis-à-on et mis-à-off. Cette fonctionnalité élimine le besoin de résistances de grille discrètes. Elle permet donc des conceptions de circuits plus denses, telles que l'intégration de système dans un boîtier (SiP-system-in-package). Dans un tel système les pilotes de grille, les dispositifs GaN et d'autres circuits intégrés de commande sont placés sur le même interposeur. La vitesse configurable de mis-à-on et de mis-à-off reconfigurable permet également de réduire les interférences électromagnétiques (EMI). Cela est important dans les applications critiques pour la sécurité. Une structure uniforme d'unités de commutation en demi-pont est proposée. Cette dernière permet une reconfigurabilité du fonctionnement du système avec une variété de topologies possibles à l'aide d'un grand nombre de cellules de commutation. Le pilote de grille exige un circuit de décalage de niveau de 200 V intégré. Ce circuit utilise une technique d'annulation de bruit en mode commun, ayant fait l'objet d'une étude approfondie. En utilisant cette technique dans une technologie HT SOI (silicium sur isolant), une immunité à une variation de bruit (CMTI) de 80 V/ns est obtenue. Le pilote de grille a un temps mort configurable allant de 5 ns à 60 ns. Ce temps mort configurable minimise les pertes dues à la conduction par mécanisme de «diode de corps» des transistors GaN pendant la période de conduction en roue libre pour différents profils de charge. Toutes les configurations sont programmées à travers un registre à décalage. Le circuit de pilotage de grille a été fabriqué avec le procédé SOI de 200-V 0,18-μm (XFAB XT018). Les résultats expérimentaux montrent que la puce peut piloter les transistors GaN ciblés de la plus petite à la plus grande taille aux vitesses de mis-à-on et mis-à-off souhaitée...

Nonlinear, mechanical microelectromechanical system (MEMS) resonating structures exhibit large displacement and a relatively broad operating bandwidth. These unique features make them particularly of interest for the development of MEMS actuators and sensors. In this work, a mechanical MEMS structure allowing the designer to determine the type of nonlinearity, that is, softening or hardening, based on its anchor scheme is presented. Effects of the excitation signal on the behavior of the proposed MEMS in the frequency domain are investigated. In this regard, a comprehensive experimental comparison among the nonlinear behaviors of softening and hardening has been conducted. To reduce the hysteresis effect to a minimum, an excitation approach, which is a pulsed sweep in frequency with a discrete resolution, is presented. The maximal velocity, quality factor, bandwidth, and resonant frequency of these two types of nonlinear MEMS resonators are compared under three different types of excitation. Finally, it is shown that the performance and characteristics extracted from nonlinear mechanical MEMS resonating structures are highly dependent on the excitation method. Hence, in the present case, the apparent performances of the MEMS resonator can increase by up to 150% or decrease by up to 21%, depending on the excitation approaches. This implies the necessity of a standardized testing methodology for nonlinear MEMS resonators for given end applications.

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This paper presents a novel and compact bandgap comparator (BGRCOMP) for under-voltage lockout (UVLO) and thermal shutdown (TSD) protection circuits. The proposed BGRCOMP is self-referenced and combines the advantages of both a high-accuracy bandgap reference and a comparator into one single circuit. A latch-controlled biasing technique is also presented, which reduces static power consumption of the proposed BGRCOMP. The proposed BGRCOMP is used for the design of compact and low power UVLO and TSD circuits. The post-layout simulation results using a 0.18 µm BCD-on-SOI technology prove the attractive performance of the UVLO and TSD with a static current (IQ) of 7.76 µA and 5.4 µA from a 5 V supply, respectively. The deviations of UVLO thresholds are less than 3 mV in the temperature range of -40~85 °C.