Energy Harvesters and low power MEMS strain sensors for wind turbine applications

Abstract

Diese Arbeit beschreibt die Herstellung eines hybriden piezoelektrischen/elektromagnetischen Energy Harvesters und eines piezoelektrischen, resonanten MEMS-Dehnungssensors für den Einsatz in drahtlosen Sensorknoten zur Überwachung von Rotorblättern von Windturbinen. Zusätzlich wurde die Eignung von gesputtertem Aluminiumnitrid und entsprechende Legierungsvarianten auf Basis von Scandium und Yttrium auf ihren möglichen Einsatz in piezoelektrischen Energy Harvestern und low-power MEMS-Dehnungssensoren hin untersucht. Die optimalen Abscheidebedingungen für gesputtertes Aluminiumnitrid, dem Scandium und Yttrium zulegiert wurde, wurde durch Variation von Plasmaleistung, Kammerdruck und Gaszusammensetzung ermittelt. Die Mikrostruktur der abgeschiedenen Dünnfilme wurde mittels Röntgendiffraktometrie, Raster-Elektronenmikroskopie, Transmissions-Elektronenmikroskopie und Energiedispersive Röntgenspektroskopie untersucht, wobei die besten Dünnfilme ein kolumnares Schichtwachstum und eine hohe c-Achsenorientierung aufweisen. Zusätzlich wurden der piezoelektrische Koeffizient d33 und der intrinsische Dünnfilmstress σ charakterisiert. Zum ersten Mal wurden Al0.91Y0.09N-Dünnfilme mit piezoelektrischen Eigenschaften abgeschieden, wobei der d33 7.79 pC N^(−1) betrug, wie von der Dichtefunktionaltheorie Berechnung vorhergesagt. Die Al0.71Sc0.29N-Dünnfilme zeigten erhöhte piezoelektrische Koeffizienten mit Werten für den d33, wie sie in der Literatur zu finden sind. Beide Legierungen zeigten sehr hohe, kompressive Stresswerte von über 1 GPa. Dies führte zur Entwicklung eines modifizierten Sputterprozesses, mit dem es möglich ist den intrinsischen Stress zu verringern. Dadurch konnten Schichten abgeschieden werden, bei denen die Druckverspannung in AlN um 76% und bei Al0.71Sc0.29N um 50% reduziert wurde. Anschließend wurde versucht die Erfahrung aus diesem Teil der Arbeit in die Realisierung von piezoelektrischen Energy Harvestern und resonanten MEMS-Dehnungssensoren zu integrieren.Der hybride Energy Harvester wurde speziell für den Einsatz in Rotorblättern von Windturbinen mit einer spezifizierten Ausgangsleistung von 10 mW entwickelt. Er beinhaltet einen piezoelektrischen Harvesterbasierend auf einem Cantilever mit einer zusätzlichen magnetischen Masse an der Spitze des Cantilevers. Er wird durch eine magnetische Impulsanregung in Schwingung versetzt, die durch den elektromagnetischen Harvester, der einen größeren beweglichen Permanentmagneten beinhaltet, erzeugt wird. Die Herstellung des piezoelektrischen Energy Harvesters wurde im institutseigenen Reinraum durchgeführt. Die Charakterisierung der beiden Harvester erfolgte separat im Labor durch Messung der Ausgangsspannungund der generierten Ausgangsleistung. Zusätzlich wurde ein erfolgreicher Feldtest in einer Windturbine über einen Zeitraum von vier Tagen durchgeführt.Der MEMS-Dehnungssensor basiert auf einer piezoelektrischen, resonanten Mikrobrücke, welche inverschiedenen Dimensionen hergestellt wurde. Dabei wurde Länge, Breite und Dicke des Mikrobalkens variiert. Das mechanische Frequenzspektrum als Funktion der Dehnung und die Modenformen der Sensorelemente wurden mittels Laser-Doppler-Vibrometrie ermittelt. Zusätzlich wurde die elektrische Antwort des piezoelektrischen Materials durch Impedanzspektroskopie aufgenommen, wobei der Fokus auf dem Leitfähigkeitsspektrum als Funktion der von außen angelegten Dehnungswerte gelegt wurde. Beide Messtechniken wurden verglichen und der Einfluss der verschiedenen Geometriegrößen auf die Messergebnisse analysiert. Ein frequenzabhängiger Gauge Faktor wurde ermittelt, welcher sehr hohe Wertebis 6 500 zeigt, was einer vierfachen Erhöhung zu modernen Standard-Dehnungssensoren entspricht. Der gemessene Gütefaktor zeigte ein sehr interessantes und nicht vollständig erklärbares Verhalten, speziell bei Sensorelementen, welche sich in der Breite unterscheiden. Zusätzlich wurden Effekte wie das Beulen der Strukturen aufgrund des kompressiven Schichtstresses, Mode Veering aufgrund der unterschiedlichen Frequenzabhängigkeit der unterschiedlichen Moden von der Dehnung und nicht lineare Resonanzeffekte untersucht. Zum Abschluss wurde der vorher erwähnte Sputterprozess zur Herstellung von stressmodifizierten Dünnfilmen verwendet. Die modifizierten Sensorelemente zeigten einen erhöhten Gauge Faktor von 17 000, was einem Vielfachen der in der Literatur gemessenen Gauge Faktoren entspricht.

This thesis is about the fabrication of a hybrid piezoelectric/electromagnetic energy harvester and apiezoelectric MEMS resonant strain sensor for wireless sensor nodes to monitor wind turbine rotor blades. In addition, piezoelectric materials, namely aluminum nitride and its alloyed variants AlScN and AlYN, are investigated for the piezoelectric energy harvesting component as well as for the low-power strain sensor. The optimal sputter deposition conditions of aluminum nitride alloyed with scandium and yttrium were studied by varying power, pressure and gas composition. The microstructure of the resulting thin films was analyzed by X-ray diffractometry, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy whereas the best thin films showed a highly c-axis oriented, columnar crystal structure for both alloying elements. Additionally, the piezoelectric coefficient d33 and the intrinsic thin film stress σ were characterized. For the first time, piezoelectric Al0.91Y0.09N thin films were sputter deposited, showing an increased d33 of 7.79 pC N−1 compared to pure AlN and matching the theoretical predictions of density functional theory predictions. The Al0.71Sc0.29N thin films showed also increased piezoelectric values, similar to those published in research. Both alloying materials showed a very high compressive stress of more than 1 GPa which led to the development of a new stress tailoring sputter process. Through this process it was possible to reduce the compressive intrinsic stress by 76% for pure AlN and by 50% for Al0.71Sc0.29N. Simultaneously, the piezoelectric coefficients were slightly increased by 14% and 9% for AlN and Al0.71Sc0.29N, respectively. These material-related results were the basis for the integration into piezoelectric harvesters and the MEMS strain sensors.The hybrid energy harvester is specifically designed for the use in a rotor blade of a wind turbine with a targeted output power of 10 mW. It contains a piezoelectric harvesting element based on a cantilever structure including a magnetic proof mass, which gets excited through magnetic plucking initiated through the electromagnetic harvesting element containing a bigger movable permanent magnet. The piezoelectric harvester is fabricated at the institute ́s cleanroom facilities. Next, the hybrid energy harvester is characterized in the lab by measuring the output voltage and output power of the two harvesting elements separately. Additionally, it was successfully tested in a real-world wind turbine over a period of four days.The MEMS strain sensor is based on a piezoelectric microbridge resonator, whereas the piezoelectricmaterial is used for excitation and sensing. Different MEMS microbridge designs were fabricated with varying length, width and thickness. The mechanical frequency spectra as a function of strain and the modeshapes of the sensor devices were characterized by laser Doppler vibrometry. Additionally, the devices were electrically characterized by impedance spectroscopy, with special focus on the conductance spectra as a function of strain. Both measurement techniques were compared to each other and the influence of the device dimensions on both measurement techniques were analyzed in detail. A frequency dependent gauge factor of the strain sensor was developed, showing very high values up to 6 500, representing a fourfold increase to current state-of-the-art strain sensors. The Q-factor as a function of strain was measured and showed an interesting behavior, especially for devices with increased width. Additionally, several effects like buckling due to the presence of a high, compressive thin film stress, curve veering due to the varying influence of strain on different modes and non-linear resonance phenomena were studied. Finally, the previously mentioned stress-tailoring sputter deposition process was integrated to fabricate low stressed sensor devices. Those devices showed an improved sensor behavior with an increased gauge factor of up to 17 000, which represents, to the best of the author`s knowledge, one of the highest measured gauge factors of strain sensors reported in literature.