Naukowcy z Tokijskiego Instytutu Technologicznego opracowali nowatorski system mikroelektromechaniczny (MEMS), którego zadaniem jest zbieranie energii mechanicznej z otoczenia i konwertowanie jej na energię elektryczną. Tego rodzaju urządzenia wcześniej były już produkowane w laboratoriach, ale nowe podejście polegające na oddzieleniu bloków układu od siebie pozwala na zwiększenie elastyczności tego rozwiązania.

Tego typu urządzenia mogą znaleźć swoje zastosowanie między innymi w systemach Internetu Rzeczy (IoT). Obecnie niewielkie systemy IoT wyposażone są w sensory itp. Niestety, wszystkie tego typu urządzenia wymagają zasilania, co jest poważnym problemem w ich popularyzacji. Jednym z rozwiązań jest zapewnienie im możliwości samodzielnego produkowania potrzebnej energii elektrycznej. Niektóre z nich już teraz wyposaża się np. w niewielkie moduły fotowoltaiczne, ale wymaga to stałego dostępu do światła.

Inną alternatywą jest zastosowanie systemów MEMS do zbierania energii i konwertowanie jej do postaci użytecznej dla systemu elektronicznego. Tego typu układy do działania wykorzystują materiały elektretowe, tj. takie, które produkują elektryczność w momencie, gdy ulegają odkształceniu mechanicznemu (stosuje się je np. w zapalarkach do gazu czy niektórych zapalniczkach – przyp. red.).

W typowych implementacjach takich systemów elektret i reszta układów potrzebnych systemowi zbierania energii do pracy zamknięta jest w jednej obudowie. Japońskie rozwiązanie prezentowane w tym artykule wyróżnia się, ponieważ system podzielono na dwa chipy – elektret i pozostałą część elektroniki. Pozwala to na elastyczniejsze implementowanie tego rozwiązania w gotowym urządzeniu. Elektret umieścić można w miejscu, gdzie wibracje są najsilniejsze, a pozostałą część elektroniki w innym dogodnym miejscu.

Oprócz problemów z implementacją scalonych rozwiązań, podzielenie układu na części ma także zaletę technologiczną. Jeśli chce się produkować układy MEMS w jednej strukturze, to proces produkcji elektretu musi być kompatybilny z pozostałą częścią elektroniki, a to ogranicza wybór materiałów do jego budowy. Zespół z Japonii zaproponował, żeby możliwie oddzielić od siebie moduły i w ten sposób w jednym chipie zamknięto kondensator elektretowy gromadzący ładunek, a w drugim układzie system, który produkuje nośniki wstrzykiwane do elektretu pod wpływem ruchu (wibracji).

– To pierwszy układ, gdzie fizycznie rozdzielono od siebie strukturę MEMS i kondensator elektretowy – wyjaśnia Diasuke Yamane, adiunkt z Instytutu w Tokio, jeden z badaczy odpowiedzialny za projekt.

Zasada działania układu zaprezentowana jest w uproszczeniu na powyższym rysunku. Całkowita pojemność układu jest stała przez cały czas i rozdzielona na dwa kondensatory – stały i zmienny. Pomiędzy tymi elementami znajduje się kondensator elektretowy, który powoduje, że pod wpływem wibracji zmienia się rozkład pojemności obu sąsiadujących elementów, a to z kolei powoduje ‘przepychanie’ nośników z jednej strony na drugą i w konsekwencji przepływ wyindukowanego w elektrecie prądu. W ten sposób system ten generuje prąd elektryczny, który posłużyć może do zasilania układów.

Prąd generowany przez układ może być wyprowadzony poza chip i np. magazynowany do późniejszego wykorzystania przez niewielkie urządzenia elektroniczne. Jak widać na wykresie powyżej, układ generuje napięcia na poziomie zaledwie kilkuset miliwoltów (ok 0,1 V – 0,2 V), ale to wystarczy, by np. zdalny sensor bezprzewodowy był w stanie raz na jakiś czas uruchomić się i przesłać informacje odnośnie temperatury do centralnego serwera. Wszystko bez wykorzystywania baterii itp. Teraz, dzięki propozycji japońskich naukowców, tego rodzaju układy działać mogą jeszcze sprawniej. – Zaproponowana przez nas metoda jest bardzo obiecującym sposobem na zwiększenie elastyczności metod produkcji i sposobów implementacji układu, poprzez rozdzielenie struktury MEMS i kondensatora elektretowego na dwa moduły – wyjaśnia Yamane.

źródło: phys.org, TIT

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.