A differenza dei tradizionali raccoglitori di energia MEMS basati su elettrete, che contengono l'intero sistema in un unico chip, la metodologia di progettazione proposta prevede di avere l'elettrete e il condensatore sintonizzabile MEMS in chip diversi, allentare i vincoli progettuali. Credito:Daisuke Yamane
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno sviluppato un raccoglitore di energia microelettromeccanico che consente una maggiore flessibilità nella progettazione, che è cruciale per le future applicazioni IoT.
Oggi, sarebbe difficile non notare che i dispositivi elettronici sono diventati incredibilmente piccoli. L'uso di sensori in miniatura nell'imminente era dell'Internet of Things (IoT) potrebbe consentirci di sviluppare applicazioni che sono state viste solo nella fantascienza. Però, i dispositivi microelettronici richiedono ancora energia per funzionare, e sistemi microelettromeccanici (MEMS) per la raccolta dell'energia possono essere utilizzati in modo che questi minuscoli aggeggi possano funzionare a energia ambientale, come quello proveniente dalle vibrazioni meccaniche.
Come illustrato in Fig. 1, i tradizionali raccoglitori di energia MEMS utilizzano un elettrete (l'equivalente elettrico di un magnete permanente; ha una carica permanente immagazzinata in esso) posto in un condensatore sintonizzabile MEMS, che ha un elettrodo in movimento che viene spinto dalle forze ambientali, inducendo il movimento di cariche. Sfortunatamente, questo design è molto limitato perché i processi di fabbricazione sia per l'elettrete che per i componenti MEMS devono essere compatibili. Perciò, un team di scienziati, tra cui l'assistente professore Daisuke Yamane della Tokyo Tech, ha proposto un nuovo energy harvester MEMS basato su elettrete che consiste in due chip separati:uno per il condensatore sintonizzabile MEMS, e uno contenente un elettrete e materiale dielettrico per formare un altro condensatore (Fig. 1). "Questo ci consente di separare fisicamente le strutture MEMS e gli elettreti per la prima volta, " afferma Yamane.
Principio di funzionamento dell'energy harvester proposto Quando la capacità del condensatore sintonizzabile è superiore a quella del circuito elettrete, un movimento di cariche è indotto in una direzione. Allo stesso modo, quando la situazione è invertita, un movimento di cariche è indotto nella direzione opposta. Credito:Istituto di tecnologia di Tokyo
Il meccanismo di raccolta dell'energia del dispositivo è mostrato in Fig. 2. La capacità del circuito elettrete è fissa (Cfix), mentre quello del condensatore sintonizzabile MEMS (CM) cambia in base all'allungamento della molla (causato da vibrazioni esterne). Quando CM diventa maggiore di Cfix, viene indotto un movimento di cariche e il condensatore sintonizzabile si carica. Allo stesso modo, quando Cfix è più alto, le cariche si muovono nella direzione opposta e il condensatore nel circuito elettrete si carica.
Quando la capacità del condensatore sintonizzabile è superiore a quella del circuito elettrete, un movimento di cariche è indotto in una direzione. Allo stesso modo, quando la situazione è invertita, un movimento di cariche è indotto nella direzione opposta (sopra). Immagini del sistema e uscita di tensione misurata. A sinistra, vengono mostrate le immagini del sistema progettato; si può apprezzare la struttura a pettine del condensatore sintonizzabile MEMS. A destra, l'uscita di tensione misurata dimostra che l'energia vibratoria meccanica può essere effettivamente raccolta (sotto) . Credito:Daisuke Yamane
Questi movimenti di cariche rappresentano energia elettrica che può essere sfruttata. Il lato sinistro della Fig. 3 mostra le immagini dei chip fabbricati e uno schema semplificato, e il lato destro mostra che la tensione può essere generata efficacemente. "Il metodo proposto può essere un modo promettente per migliorare la flessibilità di progettazione e fabbricazione sia delle strutture MEMS che degli elettreti, " conclude Yamane. L'allentamento dei vincoli di progettazione amplia i limiti per gli ingegneri e accelererà l'inizio dell'era IoT in modo da poterne raccogliere i benefici.
