• Energy-Harvesting
• Low-Power
• Low-Voltage
• Self-Powered
• Sensors

Questo lavoro descrive i principali risultati raggiunti dall’autore durante il Ph.D..
La richiesta continua di smart sensors ha aperto le porte a nuove attività di ricerca che mirano a superare i limiti dei convenzionali sistemi alimentati a batteria: ovvero la capacità limitata di energia di cui essi dispongono. Nonostante la disponibilità di sistemi sempre più ottimizzati dal punto di vista energetico il problema della durata della batteria rimane uno dei principali ostacoli alla diffusione di sistemi wireless e dell’Industrial Internet of Thinghs (IIoT).Per superare questa sfida, l’autore ha quindi partecipato a un progetto di ricerca volto ad analizzare, sviluppare ed implementare sistemi di Energy Harvesting(EH) per applicazioni di Wireless Sensors Networks (WSNs) e IIoT. In particolare l’attività è stata rivolta a due principali filoni di ricerca. Ha sviluppato inizialmente nuovi trasduttori triboelettrici per la conversione di energia meccanica(da vibrazioni o impatti ripetitivi) e viceversa per l’utilizzo come sensori. Successivamente si è occupato del progetto e realizzazione diun oscillatore a bassissima tensione di alimentazione che può esser usato sia come convertitore DC-DC per il recupero di energia da piccoli gradienti termici sia come stadio sensore a bassissima potenza.
In questo scenario il candidato ha sviluppato dei dispositivi triboelettrici Contact-Mode Triboelectric Energy Harvesting Devices (CM-TEHDs) per il recupero di energia meccanica che si basano sulla combinazione di due principi fisici: l’elettrificazione da contatto e l’induzione elettrostatica. Il potenziale che si origina dal movimento relativo dei materiali può esser sfruttato per sostenere una corrente elettrica in un circuito. I dispositivi,realizzati e testati in laboratorio, sono capaci di generare un potenza di 5.5µW se soggetti a ripetitivi impatti di 65N. Questi dispositivi sono stati realizzati con silicone commerciale che è un materiale a basso costo e facilmente reperibile. Per ottimizzare le performance dei dispositivi si è creato un modello triboelettrico che tiene in conto dei vari parametri funzionali introducendo per la prima volta la dipendenza dalla forza di contatto dovuta agli impatti fra i materiali. Il principio triboelettrico quindi stato sfruttato per la realizzazione di un sensore di flusso energeticamente autonomo e a basso costo per la misura del flusso di gas e fluidi.
In aggiunta alle attività sopra menzionate il candidato ha anche sviluppato un convertitore DC-DC alimentato da bassissime sorgenti di tensioni provenienti da generatori termoelettrici (ThermoElectric Generators, TEGs). Lo stato dell’arte dei TEGs commerciali è in grado di fornire una tensione di 20mV con un gradiente termico maggiore di 2°C.Per avere una conversione DC-DC da una sorgente a bassa tensione ad una a più alta tensione è necessario innescare un’oscillazione che amplifichi il segnale. Lo stato dell’arte dei sistemi di conversione mostra una soglia minima di start-up della conversione a 20mV. Questo impone un importante limite alla soglia minima di energia recuperabile. Per superare questi limiti si è cercato di abbassare la tensione di start-up, proponendo migliorie circuitali ai tradizionali convertitori. Il convertitore realizzato è in grado di caricare un condensatore di 500uF, completamente scarico, oltre 2.1V in 524s partendo da un ingresso di 11mV. Il circuito realizzato è quindi in grado di convertire l’energia generata da un TEG sottoposto a un gradiente termico di soli 0.6°C.
Infine il candidato ha progettato un oscillatore Pierce a bassa tensione di innesco per la realizzazione di un sensore di prossimità induttivo a bassissima potenza.

THIS WORK describes the main results achieved by the author during his Ph.D. course. The continuous demand of new smart wireless sensing solutions has opened the doors to new research activities aiming at overcoming one of the main drawbacks of conventional stand-alone solutions: the limited battery capacity. Indeed, despite the availability of ultra low-power electronic devices allows prolonging battery lifetime, the limited power source of battery is still a severe issue. In order to address this challenge, the PhD candidate has been involved in a research project concerning the analysis, the development and the implementation of Energy Harvesting (EH) Systems developed for Wireless Sensors Networks (WSNs) and mobile/IoT devices. The research activity conducted by the candidate is threefold. First he developed transducers exploiting the triboelectricity as a new solution to harvest energy from mechanical vibrations and as well as transduction mechanism for self-powered sensors. Second he has designed and realized an ultra-low voltage DC-DC converter for low thermal gradient EH. Third he has designed and realized an ultra-low voltage and power inductive proximity sensors for ultra-low power sensor applications. In particular, the candidate has developed Contact-Mode Triboelectric Energy Harvesting Devices (CM-TEHDs) whose operating principle is based on the combination of contact electrification and electrostatic induction. The realized triboelectric devices consists of extremely low-cost commercial silicone used as dielectric material and are able to generates up to 5.5µW when subjected to repetitive shocks of 65 N intensity as demonstrated by their characterization. In order to maximize the device performance, a simulation-aided custom model has been implemented by taking into account application-dependent parameters (e.g. the impact force) overcoming the limits of the classic models and allowing a more accurate prediction of the device electrical performances. The realized devices have been used also in the implementation of an autonomous ultra-low cost transducer for flow metering of gases and fluids. The comparison between the performance of commercial flowmeters and the prototype demonstrates the effectiveness of the proposed solution in both constant- and variable-flow conditions. In addition, the candidate has worked also on the development of an ultra low-voltage DC-DC converter powered by a thermoelectric generator (TEG). The state-of-the-art of commercial TEGs are able to generate 20mV with more than 2°C of thermal gradient. This output voltage is the minimum one needed for the proper start-up of state-of-the-art DC-DC converters used in ultra low power applications (e.g. smart sensors). The key component in these converters is the electronic oscillator needed to generate the time-varying signal. Lower is its startup voltage higher is the amount of harvestable energy. In this scenario a modification of the typical oscillator topologies was conducted to reduce the minimum voltage required for the start-up conversion. After a simulation-aided design optimization, a new DC-DC converter with a 11mV start-up threshold has been developed and realized. The converter can charge a completely discharged 500uF capacitor above 2.1V in 524s starting from 11mV input-voltage. The new circuit is able to convert the voltage generated by the TEG subjected to a very low thermal gradient as low as 0.6°. Finally, a Pierce oscillator topology designed to turn on with low-input voltage has been designed for the realization of ultra-low voltage and power proximity sensors based on inductive sensing coupling.