AlN-based piezoelectric bimorph microgenerator utilizing low-level non-resonant excitation

Abstract

This work aims for utilizing human ocular motion for the self-sufficient power supply of a minimally invasive implantable monitoring system for intraocular pressure (IOP). With a proven piezoelectric functionality (d(33) > 5 pm/V), nanocrystalline thin films of aluminum nitride (AlN) provide a good capability for micromechanical energy harvesting (EH) in medical applications. Many d31-mode microcantilever architectures are poorly suited for human-induced EH: Resonant mass-spring-damper systems are tested under high, narrow-band excitation frequencies. However, human motions, e.g. vibrations of eyeballs are marked by their low frequency, unpredictable, mainly aperiodic and time-varying signature. Different vibration types and directions are 3-dimensionally superimposed. Saccadic eye movements are favorable for inertial microgenerators because of their high dynamic loading w</=1000°/s). Our generator concept (symmetric active/active-parallel-bimorph cantilever) enables a high structural compliance by maximizing the piezoactive volume at very low cantilever thicknesses (<1 µm). An increased length and seismic mass enable an effective excitation by low-level aperiodic vibrations such as saccadic acceleration impulses. Analytic calculations and FEA-simulations investigate the potential distribution and transient response of different bimorph structures (length 200- 1000 µm, width 20-200 µm) on broadband vibrations. First released monomorph and bimorph structures show very low resonant frequencies and an adequate robustness

Variation of the intrinsic stress gradient in thin aluminum nitride films

“…Resultierend aus den Eigenschaften des Dünnschichtmaterials AlN wird es in zahlreichen Anwendungsbereichen und verstärkt auch in industriellen Produkten verwendet. Die piezoelektrische Aktivität sowie die CMOS Kompatibilität des Materials qualifizieren es für den Einsatz in den Bereichen der Hochfrequenz-MEMS [1] und des "energy harvesting" [2]. Resultierend aus der Nanokristallinität gesputterter AlN-Schichten sind diese mechanisch sehr stabil und da das Material im sichtbaren optischen Bereich transparent ist, können für MOEMS Applikationen mit freitragenden AlN-Strukturen sowohl Linsen [3] als auch Federn [4] nen Balken, ergibt sich der durchschnittliche Stressgradient in der Schicht vor der Freistellung aus folgender Beziehung [11]: [12].…”

“…Die Experimente wurden an reaktiv gesputterten, nanokristallinen AlN-Schichten durchgeführt, jedoch kann angenommen werden, dass die gezeigten Parameterveränderungen auch den Stressgradienten anderer reaktiv gesputterter nanokristalliner Dünnschichten beeinflussen. Anhand der gezeigten Ergebnisse können initiale Deflektionen wie in [2] beschrieben, eingestellt werden, um besonders große Vorauslenkungen bewusst zu erzeugen oder zu vermeiden.…”

The fabrication of vibration energy harvester arrays based on AlN piezoelectric film

“…The structure in this paper is different from the single cantilever structure reported in reference OE4; 5; 10 13; 18; 19 , but alike to the structure in Ref. [3]. The schematic structure is shown in Fig.…”

Mikro-Nano-Integration in der Sensorik - Nanostrukturen als neue Option

“…Schwerpunkt der Arbeiten ist zurzeit die Entwicklung möglichst effizienter Harvester für niedrige Frequenzen (einige 10 bis einige 100 Hz, z. B. Sakkaden des menschlichen Auges) wie sie am oder im menschlichen Körper auftreten [7,8].…”