Development of an Electrostatic Energy Harvester for Implantable Devices

Abstract

This thesis presents the design, development, and testing of an electrostatic energy harvester (ESEH) tailored for implantable medical devices, particularly pacemakers. The system leverages the biomechanical movements associated with human breathing to generate electrical energy, using variable capacitors to convert mechanical energy into a usable electrical form. This research aimed to address the significant drawbacks of battery-powered devices, such as limited lifespan and the need for frequent surgical replacements.

The study involved a detailed examination of the ESEH system's design and operational principles, highlighting its ability to adjust capacitance dynamically to optimize energy capture from fluctuating biomechanical movements. Experiments conducted tested various configurations of the energy harvester under controlled conditions to assess efficiency and reliability.

The experimental results demonstrated a clear correlation between capacitance adjustments and voltage changes across the capacitor plates. Specifically, when the capacitance was incrementally increased from 30pF to 300pF, the voltage observed across the plates rose from an initial 1.7 volts to a maximum of 2.8 volts under optimal conditions.

While the system could successfully harvest energy, its efficiency was influenced by several factors, including the timely switching of system states and the operational limits imposed by system components like the switching circuit and the unity gain buffer.

However, managing the inverse relationship between capacitance and voltage affected the optimal timing for energy capture and storage. Modifications to the circuit design and control strategy were necessary to improve the system's performance. These included adding an external switching circuit to isolate the variable capacitor when harvesting and integrating a more effective measurement setup to minimize energy losses during voltage assessments.

The research confirms the viability of using ESEH for powering implantable medical devices, with the potential to significantly reduce the reliance on batteries and decrease the frequency of surgical interventions. Future work will focus on refining the technology to improve scalability, energy efficiency, and integration with existing medical devices, moving closer to practical applications in the healthcare sector.

Cette thèse présente la conception, le développement et les tests d'un récupérateur d'énergie électrostatique (ESEH) adapté pour les dispositifs médicaux implantables, en particulier les stimulateurs cardiaques. Le système utilise les mouvements biomécaniques associés à la respiration humaine pour générer de l'énergie électrique, en utilisant des condensateurs variables pour convertir l'énergie mécanique en une forme électrique utilisable. Cette recherche visait à pallier les inconvénients significatifs des dispositifs alimentés par batterie, tels que la durée de vie limitée et la nécessité de remplacements chirurgicaux fréquents.

L'étude a impliqué un examen détaillé de la conception du système ESEH et de ses principes de fonctionnement, mettant en évidence sa capacité à ajuster dynamiquement la capacité pour optimiser la capture d'énergie à partir de mouvements biomécaniques fluctuants. Les expériences menées ont testé diverses configurations du récupérateur d'énergie dans des conditions contrôlées pour évaluer l'efficacité et la fiabilité.

Les résultats expérimentaux ont démontré une corrélation claire entre les ajustements de capacité et les changements de tension à travers les plaques du condensateur. En particulier, lorsque la capacité était augmentée progressivement de 30pF à 300pF, la tension observée à travers les plaques augmentait d'un initial de 1,7 volts à un maximum de 2,8 volts dans des conditions optimales.

Bien que le système ait réussi à récolter de l'énergie, son efficacité était influencée par plusieurs facteurs, y compris le changement opportun des états du système et les limites opérationnelles imposées par les composants du système tels que le circuit de commutation et le tampon à gain unitaire.

Cependant, la gestion de la relation inverse entre la capacité et la tension affectait le moment optimal pour la capture et le stockage de l'énergie. Des modifications de la conception du circuit et de la stratégie de contrôle étaient nécessaires pour améliorer les performances du système. Cela incluait l'ajout d'un circuit de commutation externe pour isoler le condensateur variable lors de la récolte et l'intégration d'une configuration de mesure plus efficace pour minimiser les pertes d'énergie lors des évaluations de tension.

La recherche confirme la viabilité de l'utilisation de l'ESEH pour alimenter des dispositifs médicaux implantables, avec le potentiel de réduire considérablement la dépendance aux batteries et de diminuer la fréquence des interventions chirurgicales. Les travaux futurs se concentreront sur le raffinement de la technologie pour améliorer la scalabilité, l'efficacité énergétique et l'intégration avec les dispositifs médicaux existants, se rapprochant des applications pratiques dans le secteur de la santé.