Ao contrário dos coletores de energia MEMS baseados em eletreto convencionais, que contém todo o sistema em um único chip, a metodologia de projeto proposta envolve ter o eletreto e o capacitor sintonizável MEMS em diferentes chips, afrouxando as restrições de design. Crédito:Daisuke Yamane
Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) desenvolveram um coletor de energia microeletromecânico que permite mais flexibilidade no projeto, o que é crucial para futuras aplicações de IoT.
Hoje em dia, seria difícil não notar que os dispositivos eletrônicos se tornaram incrivelmente pequenos. O uso de sensores em miniatura na próxima era da Internet das Coisas (IoT) pode nos permitir desenvolver aplicativos que só foram vistos na ficção científica. Contudo, dispositivos microeletrônicos ainda requerem energia para funcionar, e sistemas microeletromecânicos de coleta de energia (MEMS) podem ser usados para que essas engenhocas minúsculas possam funcionar com energia ambiente, como o que vem de vibrações mecânicas.
Conforme representado na Fig. 1, coletores de energia MEMS convencionais usam um eletreto (o equivalente elétrico de um ímã permanente; tem carga permanente armazenada nele) colocado em um capacitor sintonizável MEMS, que tem um eletrodo móvel que é empurrado pelas forças ambientais, induzindo o movimento de cargas. Infelizmente, este projeto é muito restrito porque os processos de fabricação para os componentes de eletreto e MEMS devem ser compatíveis. Portanto, uma equipe de cientistas, incluindo o professor assistente Daisuke Yamane da Tokyo Tech, propôs um novo coletor de energia baseado em eletreto MEMS que consiste em dois chips separados:um para o capacitor sintonizável MEMS, e um contendo um eletreto e material dielétrico para formar outro capacitor (Fig. 1). "Isso nos permite separar fisicamente estruturas MEMS e eletretos pela primeira vez, "afirma Yamane.
Princípio de operação do coletor de energia proposto Quando a capacidade do capacitor sintonizável é maior do que a do circuito de eletreto, um movimento de cargas é induzido em uma direção. Da mesma forma, quando a situação é inversa, um movimento de cargas é induzido na direção oposta. Crédito:Instituto de Tecnologia de Tóquio
O mecanismo de captação de energia do dispositivo é mostrado na Fig. 2. A capacitância do circuito de eletreto é fixa (Cfix), enquanto que o do capacitor sintonizável MEMS (CM) muda de acordo com o alongamento da mola (causado por vibrações externas). Quando CM se torna maior que Cfix, um movimento de cargas é induzido e o capacitor sintonizável ganha carga. Da mesma forma, quando Cfix é maior, as cargas se movem na direção oposta e o capacitor no circuito de eletreto ganha carga.
Quando a capacidade do capacitor sintonizável é maior do que a do circuito de eletreto, um movimento de cargas é induzido em uma direção. Da mesma forma, quando a situação é inversa, um movimento de cargas é induzido na direção oposta (Acima). Imagens do sistema e saída de tensão medida. Para a esquerda, fotos do sistema projetado são mostradas; a estrutura semelhante a um pente do capacitor sintonizável MEMS pode ser apreciada. Para a direita, a saída de tensão medida demonstra que a energia vibratória mecânica pode ser efetivamente colhida (abaixo). Crédito:Daisuke Yamane
Esses movimentos de cargas representam energia elétrica que pode ser explorada. O lado esquerdo da Fig. 3 mostra imagens dos chips fabricados e um diagrama simplificado, e o lado direito mostra que a tensão pode ser gerada de forma eficaz. "O método proposto pode ser uma forma promissora de aumentar a flexibilidade de design e fabricação de estruturas MEMS e eletretos, "conclui Yamane. Afrouxar as restrições de design expande os limites para os engenheiros e vai acelerar o início da era da IoT para que possamos colher seus benefícios.
