Transducción directa del dominio electromagnético al mecánico

Abstract

El treball desenvolupat en aquesta tesi se centra en el concepte de Transducció Directa del domini Electromagnètic al Mecànic (Direct Electromagnetic to Mechanical Transduction, DEMeT), el qual integra diverses tecnologies, com la Transmissió Inalàmbrica d’Energia (Wireless Power Transmission, WPT) i els Sistemes Microelectromecànics (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS). L’objectiu principal és demostrar la viabilitat d’aquest enfocament, així com les seves possibles aplicacions, mitjançant el desenvolupament d’un nou dispositiu anomenat MEMSTENNA, que combina les propietats d’un element MEMS amb les d’una antena radioelèctrica convencional.

Per a això, es van dissenyar, fabricar i caracteritzar experimentalment diversos prototips, integrant cantilevers comercials en antenes construïdes sobre substrats de FR4-PCB. Utilitzant potències de radiofreqüència de l’ordre de 2 W en la banda d’1 GHz, va ser possible accionar electrostàticament els cantilevers a distància, sense necessitat que el sistema receptor disposés de bateries, fonts d’alimentació o mecanismes de recuperació energètica.

S’ha desenvolupat i validat experimentalment un model numèric que ha permès simular diferents paràmetres clau, com l’acoblament entre l’antena i el MEMS, així com el comportament en freqüència del dispositiu. Aquest model es va implementar utilitzant eines com MATLAB i COMSOL Multiphysics.

L’enfocament adoptat, conegut com resonant driving circuit, va permetre implementar dues aplicacions funcionals: un relé inalàmbric sense bateria (Wireless and Batteryless Relay) i un receptor de ràdio AM sense bateria (Batteryless AM Radio Receiver). En el cas del relé, es va experimentar amb l’anomenat contacte dinàmic, optimitzant la força de tancament i la resistència elèctrica del contacte mitjançant modulació en amplitud (AM) del senyal de ràdio.

Finalment, es va desenvolupar un altaveu MEMS basat en cantilevers disposats de manera interdigitada, aconseguint dissenyar i validar experimentalment un dispositiu capaç de generar senyals acústiques dins del rang de freqüències audible (100 Hz a 20 kHz), amb nivells de pressió sonora (SPL) entre 40 dB i 60 dB. Aquest disseny, en permetre una actuació sense les limitacions imposades per l’efecte pull-in típic dels actuadors electrostàtics clàssics, amplia significativament el rang de vibració útil.

El trabajo desarrollado en esta tesis se centra en el concepto de Transducción Directa del dominio Electromagnético al Mecánico (Direct Electromagnetic to Mechanical Transduction, DEMeT), el cual integra diversas tecnologías, como la Transmisión Inalámbrica de Potencia (Wireless Power Transmission, WPT) y los Sistemas Microelectromecánicos (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS). El objetivo principal es demostrar la viabilidad de este enfoque, así como sus posibles aplicaciones, mediante el desarrollo de un nuevo dispositivo denominado MEMSTENNA, que combina las propiedades de un elemento MEMS con las de una antena radioeléctrica convencional. Para ello, se diseñaron, fabricaron y caracterizaron experimentalmente varios prototipos, integrando cantilever comerciales en antenas construidas sobre sustratos FR4-PCB. Utilizando potencias de radiofrecuencia del orden de 2 W en la banda de 1 GHz, fue posible accionar electrostáticamente los cantilever a distancia, sin necesidad de que el sistema receptor cuente con baterías, fuentes de alimentación o mecanismos de recuperación energética. Se ha desarrolló y validado experimentalmente un modelo numérico que ha permitido simular distintos parámetros clave, como el acoplamiento entre la antena y el MEMS, así como el comportamiento en frecuencia del dispositivo. Dicho modelo fue implementado utilizando herramientas como MATLAB y COMSOL Multiphysics. El enfoque adoptado, conocido como resonant driving circuit, permitió implementar dos aplicaciones funcionales: un relé inalámbrico sin batería (Wireless and Batteryless Relay) y un receptor de radio AM sin batería (Batteryless AM Radio Receiver). En el caso del relé, se experimentó con el llamado contacto dinámico, optimizando la fuerza de cierre y la resistencia eléctrica del contacto mediante modulación en amplitud (AM) de la señal de radio. Finalmente, se desarrolló un altavoz MEMS basado en cantilever dispuestos de forma interdigital, logrando diseñar y validar experimentalmente un dispositivo capaz de generar señales acústicas dentro del rango de frecuencias audible (100 Hz a 20 kHz), con niveles de presión sonora (SPL) entre 40 dB y 60 dB. Este diseño, al permitir una actuación sin las limitaciones impuestas por el efecto pull-in típico de los actuadores electrostáticos clásicos, amplía significativamente el rango de vibración útil.

The work developed in this thesis focuses on the concept of Direct Electromagnetic to Mechanical Transduction (DEMeT), which integrates various technologies such as Wireless Power Transmission (WPT) and Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS). The main objective is to demonstrate the feasibility of this approach, as well as its potential applications, through the development of a novel device called MEMSTENNA, which combines the properties of a MEMS element with those of a conventional radiofrequency antenna.

To this end, several prototypes were designed, fabricated, and experimentally characterized, integrating commercial cantilevers into antennas built on FR4-PCB substrates. Using radiofrequency power levels around 2 W in the 1 GHz band, it was possible to electrostatically actuate the cantilevers remotely, without the need for energy sources such as batteries, power supplies, or energy harvesting systems in the receiving device.

A numerical model was also developed and experimentally validated, allowing the simulation of key parameters such as the coupling between the antenna and the MEMS, as well as the frequency behavior of the device. This model was implemented using tools such as MATLAB and COMSOL Multiphysics.

The adopted approach, known as a resonant driving circuit, enabled the implementation of two functional applications: a wireless and batteryless relay and a batteryless AM radio receiver. In the case of the relay, experiments were carried out with so-called dynamic contact, optimizing the contact force and electrical resistance by means of amplitude modulation (AM) of the radio signal.

Finally, a MEMS loudspeaker was developed, based on cantilevers arranged in an interdigital configuration. This design was successfully validated through experiments and demonstrated the capability to generate acoustic signals within the audible frequency range (100 Hz to 20 kHz), achieving sound pressure levels (SPL) between 40 dB and 60 dB. This actuation method, by avoiding the limitations imposed by the pull-in effect characteristic of conventional electrostatic MEMS actuators, significantly extends the usable vibration range.