A diferencia de los recolectores de energía MEMS convencionales basados en electret, que contienen todo el sistema en un solo chip, la metodología de diseño propuesta implica tener el electret y el condensador sintonizable MEMS en diferentes chips, aflojar las limitaciones de diseño. Crédito:Daisuke Yamane
Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) han desarrollado un recolector de energía microelectromecánica que permite una mayor flexibilidad en el diseño, que es crucial para futuras aplicaciones de IoT.
Hoy en día, Sería difícil no darse cuenta de que los dispositivos electrónicos se han vuelto increíblemente pequeños. El uso de sensores en miniatura en la próxima era de Internet de las cosas (IoT) podría permitirnos desarrollar aplicaciones que solo se han visto en la ciencia ficción. Sin embargo, los dispositivos microelectrónicos todavía requieren energía para funcionar, y los sistemas microelectromecánicos de recolección de energía (MEMS) se pueden utilizar para que estos minúsculos artilugios puedan funcionar con energía ambiental, como el que proviene de vibraciones mecánicas.
Como se muestra en la Fig.1, Los recolectores de energía MEMS convencionales usan un electret (el equivalente eléctrico de un imán permanente; tiene carga permanente almacenada) colocado en un capacitor sintonizable MEMS, que tiene un electrodo en movimiento que es empujado por fuerzas ambientales, inducir el movimiento de cargas. Desafortunadamente, este diseño es muy limitado porque los procesos de fabricación tanto del electret como de los componentes MEMS tienen que ser compatibles. Por lo tanto, un equipo de científicos, incluyendo al profesor asistente Daisuke Yamane de Tokyo Tech, propuso un nuevo recolector de energía MEMS basado en electret que consta de dos chips separados:uno para el condensador sintonizable MEMS, y uno que contiene un electreto y material dieléctrico para formar otro condensador (Fig. 1). "Esto nos permite separar físicamente estructuras MEMS y electrets por primera vez, "afirma Yamane.
Principio de funcionamiento del recolector de energía propuesto Cuando la capacidad del condensador sintonizable es mayor que la del circuito electret, se induce un movimiento de cargas en una dirección. Igualmente, cuando la situación se invierte, se induce un movimiento de cargas en la dirección opuesta. Crédito:Instituto de Tecnología de Tokio
El mecanismo de recolección de energía del dispositivo se muestra en la Fig. 2. La capacitancia del circuito electret es fija (Cfix), mientras que el del condensador sintonizable MEMS (CM) cambia según el estiramiento del resorte (causado por vibraciones externas). Cuando CM se vuelve más alto que Cfix, se induce un movimiento de cargas y el condensador sintonizable gana carga. Igualmente, cuando Cfix es mayor, las cargas se mueven en la dirección opuesta y el capacitor en el circuito electret gana carga.
Cuando la capacidad del condensador sintonizable es mayor que la del circuito electret, se induce un movimiento de cargas en una dirección. Igualmente, cuando la situación se invierte, se induce un movimiento de cargas en la dirección opuesta (arriba). Imágenes del sistema y salida de voltaje medida. A la izquierda, se muestran imágenes del sistema diseñado; Se puede apreciar la estructura en forma de peine del condensador sintonizable MEMS. A la derecha, la salida de voltaje medida demuestra que la energía vibratoria mecánica se puede recolectar de manera efectiva (abajo). Crédito:Daisuke Yamane
Estos movimientos de cargas representan energía eléctrica que se puede explotar. El lado izquierdo de la Fig.3 muestra imágenes de los chips fabricados y un diagrama simplificado, y el lado derecho muestra que el voltaje se puede generar de manera efectiva. "El método propuesto puede ser una forma prometedora de mejorar el diseño y la flexibilidad de fabricación tanto de las estructuras MEMS como de los electrets, ", concluye Yamane. La relajación de las restricciones de diseño amplía los límites para los ingenieros y acelerará el inicio de la era de IoT para que podamos cosechar sus beneficios.
