Ученые из европейского исследовательского центра IMEC в
Бельгии создали первый в мире пьезоэлектрический элемент, который способен
извлекать достаточно энергии из вибрации окружающей среды для питания
автономных электронных устройств. Мощность нового источника автономного питания
составляет 85 милливатт – это огромное достижение для подобного класса электромеханических
микромашин.
Сборщик энергии осуществляет прямое преобразование
механической энергии в электрическую с небывало высокой эффективностью. Само
устройство выполнено в форме многослойной сборки с использованием технологии
MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) и позволяет эффективно преобразовать в
электрический ток механические колебания с частотой 150 – 1000 Гц. Подобные
характеристики преобразователя отлично подходят для самых разных отраслей
автономные беспроводные датчики с питанием от такого преобразователя можно
массово использовать в любых двигателях и промышленных механизмах – например,
на роторах в турбинах тепловых электростанций.
Для создания нового преобразователя ученым пришлось
разработать новые материалы, которые изготавливаются по технологии CMOS (Complementary
Metal-Oxide Semiconductor - Комплементарный метал-оксидный полупроводник). Сам
преобразователь состоит из кусочка кремния, подвешенного на штанге из нитрида
алюминия (AlN). Изменяя размеры штанги и кремниевой пластины можно подобрать
наиболее подходящую резонансную частоту для преобразования в диапазоне 150-1200
Гц. Кроме рекордной эффективности, следует отметить и использование нитрида
алюминия в качестве пьезоэлектрического слоя. Нитрид алюминия имеет некоторые
преимущества с точки зрения параметров материала и удобства обработки по
сравнению с другим материалом, который часто применяется в пьезоэлектрических
преобразователях – PZT (цирконат титанат свинца - PbTiZr). Два важнейших
преимущества – покрытие из AlN можно наносить до трех раз быстрее, причем
контроль состава не требуется благодаря стехиометрической природе этого
материала.
Важнейшим достижением ученых при разработке нового
пьезоэлектрического элемента стала технология упаковки элементов в вакууме. При
такой упаковке эффективность элемента существенно возрастает по сравнению с
упаковкой при обычном атмосферном давлении. Технология включает в себя три
стадии – стеклянные крышки покрываются клеем, затем накладываются на сборку
сверху и снизу в вакууме, и только потом происходит нарезка.
В созданном опытном образце автономного термодатчика
использованы серийные компоненты, правда за счет их оптимизации
энергопотребление удалось снизить до 1,5 милливатт ± 10 микроватт
эффективность повышена на три порядка. В условиях вибрации на частоте 353 Гц с
ускорением 0,64g (реалистичные условия вибрации в механизмах) система
генерирует достаточно мощности для измерения окружающей температуры и передачи
данных на базовую станцию с интервалом 15 секунд.
С переходом на серийное производство подобных датчиков
промышленность может получить отличный инструмент для мониторинга и
планирования профилактического обслуживания движущихся и вращающихся деталей
машин. Авторы новой технологии уже ведут переговоры с потенциальными
производителями о коммерциализации своей разработки. Подробно результаты
исследования освещены в материалах конференции IEEE IEDM (International
Electron Devices Meeting) 2009, которая прошла 709 декабря этого года в
Балтиморе (США).
По материалам сайтов PhysORG и Fareastergizmos.
|
