This work, developed within the Ph.D. course on Materials Science and Nanotechnology, aims i) to present potential devices based on energy harvesting technology capable of power autonomous wireless Internet of Things (IoT) solutions for future automotive industry applications; ii) to develop systems using lead-free materials to replace current harmful materials due to their toxicity levels, such as Pb(Zrx,Ti1-x)O3 (PZT); iii) to take advantages of the piezoelectric, pyroelectric, and photovoltaic effects, the intrinsic properties of lead-free LiNbO3 (LN), BiFeO3 (BFO), and (K0.5,Na0.5)NbO3 (KNN) materials, to collect environmental resources related to vibrations, temperature changes, and light, respectively; iv) to reduce cables' weight, device maintenance, and microfabrication costs for their implementation and avoid negative impact on the carbon footprint. This thesis's purpose is to exhibit a general approach to develop an energy harvesting transducer based on material science theory and applied physics to design, simulate, microfabricate, and characterize prototypes. Most of the work is related to LN due to its maturity and piezoelectric properties due to the ease of vibrational studies. This work's design section is related to the device structure's complexity, presented with two approaches: beam or bridge structure behaving linearly and a structure based on fractals aiming a nonlinear behavior. Two main structures previously designed, linear and nonlinear, are simulated under the same conditions to compare their results. Microfabrication protocols are developed to achieve the study structures to be subsequently characterized. Because of the protocols' bleeding-edge status, only the linear device's microfabrication could be developed; therefore, the characterization is performed only for the beam device. Even though the device was designed, optimized, and developed for piezoelectric energy harvesting, characterizations of pyroelectric and photovoltaic effects were performed simultaneously to get some preliminary hints on its performances. Regardless of the device's performances, a study for an IoT solution is showcased as the last section to clarify the specifications required for a stand-alone application. Relevant results have been achieved in both the overall concept of the technology and in the individual sections: interest in complex structures for performance enhancement, accurate simulations representing the devices results, optimized microfabrication protocols, and surprising results, such as the level of response to thermal changes in a device mainly optimized for vibrational environments. Nevertheless, further studies and improvements need to be performed to fulfill the application's needs using a Bluetooth device.

Questo lavoro, sviluppato nell'ambito del corso di dottorato di Scienza dei Materiali e Nanotecnologie, ha come obiettivi di i) presentare potenziali dispositivi basati sulla tecnologia di energy harvesting, in grado di alimentare soluzioni autonome e senza fili, Internet of Things (IoT), per future applicazioni dell'industria automobilistica; ii) sviluppare sistemi che utilizzino materiali senza piombo per sostituire gli attuali materiali nocivi a causa dei loro livelli di tossicità, come Pb(Zrx,Ti1-x)O3 (PZT); iii) utilizzare gli effetti piezoelettrici, piroelettrici e fotovoltaici, proprietà intrinseche dei materiali senza piombo LiNbO3 (LN), BiFeO3 (BFO), and (K0.5,Na0.5)NbO3 (KNN), per sfruttare risorse ambientali relative a vibrazioni, sbalzi di temperatura e luce, rispettivamente; iv) ridurre il peso dei cavi, la manutenzione dei dispositivi e i costi di microfabbricazione per la loro implementazione ed evitare un impatto negativo sull'impronta di carbonio. Lo scopo di questa tesi è quello di mostrare un approccio generale per sviluppare un trasduttore energy harvesting basato sulla teoria della scienza dei materiali e sulla fisica applicata per disegnare, simulare, microfabbricare e caratterizzare i prototipi. La maggior parte del lavoro è correlato al sistema LN, essendo già stato in parte studiato per le sue proprietà piezoelettriche. La sezione di design di questo lavoro è correlata alla complessità della struttura del dispositivo, presentata con due approcci: struttura beam o bridge che si comportano in modo lineare e una struttura basata su frattali che hanno come obiettivo un comportamento non lineare. Due strutture principali progettate in precedenza, lineare e non lineare, vengono simulate nelle stesse condizioni per confrontarne i risultati. Protocolli di microfabbricazione vengono sviluppati per realizzare le strutture studiate e successivamente, caratterizzarle. A causa dello stato di bleeding-edge dei protocolli, è stato possibile sviluppare solo la microfabbricazione del dispositivo lineare; pertanto, la caratterizzazione viene eseguita solo per il dispositivo beam. Anche se il dispositivo è stato progettato, ottimizzato e sviluppato per la raccolta di energia piezoelettrica, le caratterizzazioni degli effetti piroelettrici e fotovoltaici sono state eseguite simultaneamente per ottenere alcuni suggerimenti preliminari sulle sue prestazioni. Indipendentemente dalle prestazioni del dispositivo, uno studio per una soluzione IoT viene presentato come ultima sezione per chiarire le specifiche richieste per un'applicazione stand-alone. Risultati interessanti sono stati raggiunti sia nel concetto generale della tecnologia che nelle singole sezioni: design di strutture complesse per il miglioramento delle prestazioni, simulazioni accurate che rappresentano i risultati dei dispositivi, protocolli di microfabbricazione ottimizzati e risultati sorprendenti, come la risposta termica ottenuta in un dispositivo principalmente ottimizzato per ambienti vibrazionali. Tuttavia, è necessario eseguire ulteriori studi e miglioramenti per soddisfare le esigenze dell'applicazione utilizzando un dispositivo Bluetooth.

SIMULAZIONE E DESIGN DI SISTEMI DI SENSORI AUTONOMI E PROCESSI DI MICROFABBRICAZIONE / BARRIENTOS RODRIGUEZ, GABRIEL ANTONIO. - (2021 May 28).

SIMULAZIONE E DESIGN DI SISTEMI DI SENSORI AUTONOMI E PROCESSI DI MICROFABBRICAZIONE

BARRIENTOS RODRIGUEZ, GABRIEL ANTONIO
2021-05-28

Abstract

This work, developed within the Ph.D. course on Materials Science and Nanotechnology, aims i) to present potential devices based on energy harvesting technology capable of power autonomous wireless Internet of Things (IoT) solutions for future automotive industry applications; ii) to develop systems using lead-free materials to replace current harmful materials due to their toxicity levels, such as Pb(Zrx,Ti1-x)O3 (PZT); iii) to take advantages of the piezoelectric, pyroelectric, and photovoltaic effects, the intrinsic properties of lead-free LiNbO3 (LN), BiFeO3 (BFO), and (K0.5,Na0.5)NbO3 (KNN) materials, to collect environmental resources related to vibrations, temperature changes, and light, respectively; iv) to reduce cables' weight, device maintenance, and microfabrication costs for their implementation and avoid negative impact on the carbon footprint. This thesis's purpose is to exhibit a general approach to develop an energy harvesting transducer based on material science theory and applied physics to design, simulate, microfabricate, and characterize prototypes. Most of the work is related to LN due to its maturity and piezoelectric properties due to the ease of vibrational studies. This work's design section is related to the device structure's complexity, presented with two approaches: beam or bridge structure behaving linearly and a structure based on fractals aiming a nonlinear behavior. Two main structures previously designed, linear and nonlinear, are simulated under the same conditions to compare their results. Microfabrication protocols are developed to achieve the study structures to be subsequently characterized. Because of the protocols' bleeding-edge status, only the linear device's microfabrication could be developed; therefore, the characterization is performed only for the beam device. Even though the device was designed, optimized, and developed for piezoelectric energy harvesting, characterizations of pyroelectric and photovoltaic effects were performed simultaneously to get some preliminary hints on its performances. Regardless of the device's performances, a study for an IoT solution is showcased as the last section to clarify the specifications required for a stand-alone application. Relevant results have been achieved in both the overall concept of the technology and in the individual sections: interest in complex structures for performance enhancement, accurate simulations representing the devices results, optimized microfabrication protocols, and surprising results, such as the level of response to thermal changes in a device mainly optimized for vibrational environments. Nevertheless, further studies and improvements need to be performed to fulfill the application's needs using a Bluetooth device.
28-mag-2021
Questo lavoro, sviluppato nell'ambito del corso di dottorato di Scienza dei Materiali e Nanotecnologie, ha come obiettivi di i) presentare potenziali dispositivi basati sulla tecnologia di energy harvesting, in grado di alimentare soluzioni autonome e senza fili, Internet of Things (IoT), per future applicazioni dell'industria automobilistica; ii) sviluppare sistemi che utilizzino materiali senza piombo per sostituire gli attuali materiali nocivi a causa dei loro livelli di tossicità, come Pb(Zrx,Ti1-x)O3 (PZT); iii) utilizzare gli effetti piezoelettrici, piroelettrici e fotovoltaici, proprietà intrinseche dei materiali senza piombo LiNbO3 (LN), BiFeO3 (BFO), and (K0.5,Na0.5)NbO3 (KNN), per sfruttare risorse ambientali relative a vibrazioni, sbalzi di temperatura e luce, rispettivamente; iv) ridurre il peso dei cavi, la manutenzione dei dispositivi e i costi di microfabbricazione per la loro implementazione ed evitare un impatto negativo sull'impronta di carbonio. Lo scopo di questa tesi è quello di mostrare un approccio generale per sviluppare un trasduttore energy harvesting basato sulla teoria della scienza dei materiali e sulla fisica applicata per disegnare, simulare, microfabbricare e caratterizzare i prototipi. La maggior parte del lavoro è correlato al sistema LN, essendo già stato in parte studiato per le sue proprietà piezoelettriche. La sezione di design di questo lavoro è correlata alla complessità della struttura del dispositivo, presentata con due approcci: struttura beam o bridge che si comportano in modo lineare e una struttura basata su frattali che hanno come obiettivo un comportamento non lineare. Due strutture principali progettate in precedenza, lineare e non lineare, vengono simulate nelle stesse condizioni per confrontarne i risultati. Protocolli di microfabbricazione vengono sviluppati per realizzare le strutture studiate e successivamente, caratterizzarle. A causa dello stato di bleeding-edge dei protocolli, è stato possibile sviluppare solo la microfabbricazione del dispositivo lineare; pertanto, la caratterizzazione viene eseguita solo per il dispositivo beam. Anche se il dispositivo è stato progettato, ottimizzato e sviluppato per la raccolta di energia piezoelettrica, le caratterizzazioni degli effetti piroelettrici e fotovoltaici sono state eseguite simultaneamente per ottenere alcuni suggerimenti preliminari sulle sue prestazioni. Indipendentemente dalle prestazioni del dispositivo, uno studio per una soluzione IoT viene presentato come ultima sezione per chiarire le specifiche richieste per un'applicazione stand-alone. Risultati interessanti sono stati raggiunti sia nel concetto generale della tecnologia che nelle singole sezioni: design di strutture complesse per il miglioramento delle prestazioni, simulazioni accurate che rappresentano i risultati dei dispositivi, protocolli di microfabbricazione ottimizzati e risultati sorprendenti, come la risposta termica ottenuta in un dispositivo principalmente ottimizzato per ambienti vibrazionali. Tuttavia, è necessario eseguire ulteriori studi e miglioramenti per soddisfare le esigenze dell'applicazione utilizzando un dispositivo Bluetooth.
Energy Harvesting, Internet of Things (IoT), Lead-free Materials, Lithium Niobate (LN), Bismuth Ferrite (BFO), Potassium Sodium Niobate (KNN), Piezoelectric effect, Pyroelectric effect, Photovoltaic effect, Vibration, Temperature change, Light, Microelectromechanical System (MEMS), Linear, Nonlinear, Fractal, Design, Simulation, Microfabrication, Characterization
SIMULAZIONE E DESIGN DI SISTEMI DI SENSORI AUTONOMI E PROCESSI DI MICROFABBRICAZIONE / BARRIENTOS RODRIGUEZ, GABRIEL ANTONIO. - (2021 May 28).
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.11769/581806
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