Samodzielne bezprzewodowe czujniki zasilane wibracjami

Samodzielne bezprzewodowe czujniki zasilane wibracjami

Naukowcom po raz pierwszy udało się skonstruować piezoelektryczne urządzenie pozyskujące energię, oparte na technologii MEMS, które dzięki wibracjom jest w stanie wygenerować 85 mikrowatów mocy. Zabudowane urządzenie do pozyskiwania energii wykorzystujące MEMS służy do zasilania bezprzewodowych czujników. Dzięki temu odkryciu, naukowcy z IMEC skonstruowali czujnik temperatury, który może bezprzewodowo w pełni samodzielnie przesyłać dane.

Mikromechaniczne urządzenie pozyskujące energię działa w zakresie częstotliwości od 150 do 1000 herców, idealnie odpowiadającym wibracjom pochodzącym z maszyn, silników, oraz innych urządzeń przemysłowych. Urządzenia tego rodzaju są idealnymi kandydatami do zasilania samodzielnych czujników ze względu na swoje małe rozmiary.

Naukowcy z IMEC wykorzystali do produkcji swoich urządzeń niedrogie, zgodne z CMOS MEMS, obrabiane na dwumetrowej krzemowej płytce.

Urządzenie składa się z krzemu jako masy, oraz azotku glinu jako materiału piezoelektrycznego. Zmieniając wymiary masy, oraz wiązki, częstotliwość rezonansowa urządzenia może być dostosowana do dowolnej wartości z zakresu 150 do 1200 herców.

Wartym podkreślenia osiągnięciem jest nie tylko rekordowa moc wyjściowa, ale i wykorzystanie azotku glinu jako warstwy piezoelektrycznej. Azotek glinu ma kilka zalet w porównaniu z wykorzystywanym często tytaniano-cyrkonianem ołowiu (PZT). Wśród nich warte podkreślenia jest to, że azotek glinu może być nakładany trzy razy szybciej, a dzięki stechiometrycznej naturze materiału, łatwiejsze jest również sterowanie procesem.

Głównym osiągnięciem jest opracowanie procesu na skalę płytki, który chroni urządzenia piezoelektryczne poprzez jego zabudowanie. Dzięki takiemu próżnego pakowaniu uzyskano znaczący wzrost mocy wyjściowej w porównaniu do urządzeń pakowanych tradycyjnie w atmosferze. W trzystopniowym procesie, szklane powłoki pokryte zostają lepką substancją, zabezpieczone zostają próżniowo z góry i od dołu obrabianej płytki i wreszcie pocięte w ‘kostkę’.

To piezoelektryczne urządzenie pozyskujące energię zostało podłączone do bezprzewodowego czujnika temperatury. Dzięki optymalizacji zużycia energii, jego pobór mocy ograniczony został z 1,5 miliwata do plus minus 10 mikrowatów. Poddane działaniu wibracjom 0,64 gram przy częstotliwości 353 herców, urządzenie jest w stanie wygenerować dość energii, by mierzyć temperaturę i przesyłać wyniki pomiarów do centrali co piętnaście sekund.

Po dopracowaniu, technologia będzie mogła służyć do zasilania czujników wykorzystywanych w przemyśle, jak choćby do monitorowania ciśnienia w oponie, czy predyktywnego utrzymania ruchomych elementów maszyn.

(lk)