Chapter 1.
Energy harvesting form ambient vibrational energy for the goal of operating low-power consumption electronic devices has widely researched during the last decade years for enabling wireless applications. The purpose of this effort is to provide remote and sustainable source of electricity to recharge storage components such as capacitors and batteries. One of the most researched areas is the utilization of piezoelectric materials which have piezoelectric effect to convert mechanical and vibrational energy such as bending, stretching, and pressing into useful electric energy. The area of piezoelectric energy harvesting embraces material science, mechanics, and electric circuitry. The ultimate goal of these research is making high-performance piezoelectric energy harvesters to power the low-power consuming electronics by using the ambient vibrational and mechanical energy available in our environment. If this dream can be achieved, the maintenance price for periodic battery replacements as well as the requirement of an outer power sources could be noticeably decreased. This part introduces the principle of piezoelectricity, piezoelectric materials, and electric energy generation in piezoelectric materials.
Chapter 2.
In this chapter, a self-powered flexible piezoelectric acoustic sensor (f-PAS) inspired by basilar membrane in human cochlea was demonstrated. The f-PAS covered the voice frequency spectrum via the combination of its low quality (Q) factor and multi-resonant frequency tuning, exhibiting four to eight times higher sensitivity than the conventional condenser sensor. Our piezoelectric acoustic sensor with a thin membrane design produced sufficient output voltages by the distinct resonant movement of the Pb[Zr0.52Ti0.48]O3(PZT) membrane under the minute acoustic sound stimuli. Multiple sensor channels were integrated in a single f-PAS chip with a size of 1.5 × 3 cm2, which acquire multi-tunable piezoelectric signals without any external power. A linear response of the resonance frequency of the curved piezoelectric membrane was theoretically investigated by a finite element method (FEM) calculation. Low Q factors from corresponding channels were achieved by optimal membrane thickness and channel length.
Chapter 3.
In this chapter, a new platform of machine learning-based speaker recognition was demonstrated, via the flexible piezoelectric acoustic sensor (f-PAS) with a highly sensitive multi-resonant frequency band. The resonant self-powered f-PAS was fabricated by mimicking the operating mechanism of the basilar membrane in the human cochlear. The f-PAS acquired abundant voice information from the multi-channel sound inputs. The standard TIDIGITS dataset were recorded by the f-PAS and converted to frequency components by using a Fast Fourier Transform (FFT) and a Short-Time Fourier Transform (STFT). The machine learning based Gaussian Mixture Model (GMM) was designed by utilizing the most highest and second highest sensitivity data among multi-channel outputs, exhibiting outstanding speaker recognition rate of 97.5 % with error rate reduction of 75 % compared to that of the reference MEMS microphone.
Chapter 4.
Flexible piezoelectric energy harvesters (f-PEHs) have been regarded as an overarching candidate for achieving self-powered electronic systems for environmental sensors and biomedical devices using the self-sufficient electrical energy. In this research, we realize a flexible high-output and lead-free piezoelectric energy harvester by using the aerosol deposition (AD) method and the laser lift-off (LLO) process. We also investigated the comprehensive biocompatibility of the lead-free piezoceramic device using ex-vivo ionic elusion and in-vivo bioimplantation, as well as in-vitro cell proliferation and histologic inspection. The fabricated LiNbO3-doped (K,Na)NbO3(KNN) thin film-based flexible energy harvester exhibited an outstanding piezoresponse, and output performance up to an open-circuit voltage of ~140V and a short-circuit current of ~1.8μA under normal bending and release deformation, which is the best record among previously reported flexible lead-free piezoelectric energy harvesters. Although both the KNN and PZT devices showed short-term biocompatibility in cellular and histological studies, excessive Pb toxic ions were eluted from the PZT in human serum and tap water. Moreover, the KNN-based flexible energy harvester was implanted into a porcine chest, and generated up to ~5V and 700nA from the heartbeat motion, comparable to the output of previously reported lead-based flexible energy harvesters. This work can compellingly serve to advance the development of piezoelectric energy harvesting for actual and practical biocompatible self-powered biomedical applications beyond restrictions of lead-based materials in long-term physiological and clinical aspects.
Chapter 5.
In this chapter, the structure of the basilar membrane inside the human cochlea was inspired to produce a voice sensor. In a flexible electronic device such as an flexible energy harvester, flexible acoustic sensor, flexible pressure sensor, substrate having a uniform film thickness is used. However, in this study, the thickness of the substrate has a structure with a constant gradient thickness. In particular, the high frequency is sensed in the narrow part and the low frequency is sensed in the wide part, and has a structure for maximizing it. In the basilar membrane inside the cochlea, the narrow part has a thick thickness, and the wide part has a thin thickness, so it has an advantage of having a wider frequency coverage. This is because the thickness and the resonance frequency become proportional by the resonance frequency formula. In this experiment, polyimide (PI) liquid was poured into an aluminum mold of an inclined shape to harden it, and it was removed and used as a gradual substrate. The post-process including the transfer process, is based on the previously used method.
1 장.
저전력 소비 전자 장치의 작동을 목표로 주변 진동 에너지를 이용한 에너지 하베스 팅은 지난 10 년 동안 무선 애플리케이션을 가능하게하는 데 널리 연구되었습니다. 이 노력의 목적은 축전기 및 배터리와 같은 저장 구성 요소를 재충전하기 위해 원격의 지속 가능한 전기 공급원을 제공하는 것입니다. 가장 많이 연구 된 분야 중 하나는 굽힘, 신축 및 압축과 같은 기계적 및 진동 에너지를 유용한 전기 에너지로 변환하는 압전 효과를 갖는 압전 재료의 활용입니다. 압전 에너지 수확 분야는 재료 과학, 역학 및 전기 회로를 포함합니다. 이 연구의 궁극적 인 목표는 고성능 압전 에너지 하베스터가 환경에서 사용 가능한 주변 진동 및 기계 에너지를 사용하여 저전력 소비 전자 제품에 전력을 공급하는 것입니다. 이러한 꿈을 이룰 수 있다면 정기적 인 배터리 교체 및 외부 전원 공급 장치의 유지 보수 비용이 눈에 띄게 줄어들 수 있습니다. 이 부분에서는 압전 재료의 압전, 압전 재료 및 전기 에너지 생성 원리를 소개합니다.
2 장.
이 장에서는 인간 달팽이관의 기저막에서 영감을 얻은 자체 구동 식 유연한 압전 음향 센서 (f-PAS)에 대해 설명했습니다. f-PAS는 낮은 품질 (Q) 계수와 다중 공진 주파수 튜닝의 조합을 통해 음성 주파수 스펙트럼을 커버하여 기존 콘덴서 센서보다 4-8 배 높은 감도를 보여줍니다. 얇은 막 디자인의 압전 음향 센서는 미세한 음향 사운드 자극 하에서 Pb [Zr0.52Ti0.48] O3 (PZT) 막의 뚜렷한 공진 운동에 의해 충분한 출력 전압을 생성했습니다. 1.5 x 3 cm2 크기의 단일 f-PAS 칩에 여러 센서 채널이 통합되어 외부 전원 없이도 조정 가능한 압전 신호를 획득합니다. 곡선 압전 막의 공명 주파수의 선형 응답은 이론적으로 유한 요소법 (FEM) 계산에 의해 조사되었다. 최적의 막 두께 및 채널 길이에 의해 상응하는 채널로부터의 낮은 Q 계수가 달성되었다.
3 장.
이 장에서는 고감도 다중 공진 주파수 대역의 유연한 압전 음향 센서 (f-PAS)를 통해 새로운 머신 러닝 기반 스피커 인식 플랫폼을 시연했습니다. 공명자가 동력 f-PAS는 인간 달팽이관에서 기저막의 작동 메커니즘을 모방하여 제작되었습니다. f-PAS는 다중 채널 사운드 입력에서 풍부한 음성 정보를 얻었습니다. 표준 TIDIGITS 데이터 세트는 f-PAS에 의해 기록되었고 FFT (Fast Fourier Transform) 및 STFT (Short-Time Fourier Transform)를 사용하여 주파수 성분으로 변환되었습니다. 머신 러닝 기반 가우시안 혼합 모델 (GMM)은 다중 채널 출력 중에서 가장 높은 및 두 번째로 높은 감도 데이터를 활용하여 설계되었으며, 기준 MEMS에 비해 오류율이 75 % 감소하고 97.5 %의 탁월한 스피커 인식률을 나타냅니다. 마이크로폰.
4 장.
플렉서블 압전 에너지 하베스터 (f-PEH)는 자급 자족 전기 에너지를 사용하여 환경 센서 및 생체 의료 기기를위한 자 급식 전자 시스템을 달성하기위한 가장 중요한 후보로 여겨져왔다. 본 연구에서는 에어로졸 증착 (AD) 방법과 레이저 리프트 오프 (LLO) 공정을 사용하여 유연한 고출력 무연 압전 에너지 하베스터를 실현합니다. 또한 생체 외 세포 증식 및 조직 검사뿐만 아니라 생체 외 이온 주입 및 생체 내 생체 이식을 사용하는 무연 압전 세라믹 장치의 포괄적 인 생체 적합성을 조사했습니다. 제조 된 LiNbO3- 도핑 된 (K, Na) NbO3 (KNN) 박막 기반의 유연한 에너지 하베스터는 탁월한 압전 반응을 나타내 었으며 ~ 140V의 개방 전압에서 ~ 1.8μA의 단락 전류까지의 출력 성능 이전에보고 된 유연한 무연 압전 에너지 하베스터 중 최고 기록 인 정상 굽힘 및 방출 변형. KNN 및 PZT 장치 모두 세포 및 조직 학적 연구에서 단기적인 생체 적합성을 보여 주었지만, 인간 혈청 및 수돗물의 PZT로부터 과도한 Pb 독성 이온이 용출되었다. 또한, KNN 기반의 유연한 에너지 하베스터는 돼지 가슴에 이식되었고, 이전에보고 된 리드 기반의 유연한 에너지 하베스터의 출력과 비교할 때 하트 비트 동작에서 ~ 5V 및 700nA까지 생성되었습니다. 이 연구는 장기적인 생리 학적 및 임상 적 측면에서 납 기반 물질의 제한을 넘어서 실제적이고 실용적인 생체 적합성자가 동력 바이오 메디컬 응용을위한 압전 에너지 수확의 개발을 강력하게 지원할 수있다.
5 장.
이 장에서 인간 달팽이관 내부의 기저막 구조는 음성 센서를 만들도록 영감을 받았습니다. 플렉서블 에너지 하베스터, 플렉서블 음향 센서, 플렉서블 압력 센서와 같은 플렉서블 전자 장치에서, 막 두께가 균일 한 기판이 사용된다. 그러나,이 연구에서, 기판의 두께는 일정한 구배 두께를 갖는 구조를 갖는다. 특히, 좁은 부분에서는 고주파가 감지되고 넓은 부분에서는 저주파가 감지되고,이를 최대화하기위한 구조를 갖는다. 달팽이관 내부의 기저막에서 좁은 부분은 두꺼운 두께를 가지며 넓은 부분은 얇은 두께를 가지므로 더 넓은 주파수 범위를 갖는 이점이 있습니다. 공진 주파수 공식에 의해 두께와 공진 주파수가 비례하기 때문이다. 본 실험에서는, 폴리이미드 (PI) 액체를 경 사진 형상의 알루미늄 몰드에 부어 경화시켜 점진적인 기판으로서 사용 하였다. 전송 프로세스를 포함한 사후 프로세스는 이전에 사용된 방법을 기반으로합니다.
