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Sensor MEMS genera energía a partir de vibraciones para alimentar sistemas IoT

Un nuevo sensor desarrollado por científicos japoneses produce electricidad a partir de las vibraciones para alimentar pequeñas aplicaciones del Internet de las Cosas.

ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas

Investigadores de la Universidad de Tokio presentaron un nuevo sensor MEMS diseñado para generar electricidad a partir de las vibraciones inducidas sobre su estructura, con lo cual pueden alimentar a pequeños sistemas digitales de control en redes inalámbricas.

     

El trabajo fue publicado a través de un artículo científico titulado: “A Mems Vibratory Energy Harvester Charged By An Off-Chip Electret” y en el mismo se detalla el funcionamiento de este Sistema Micro Electromecánico (MEMS) el cual está orientado a energizar de forma perpetua aplicaciones conectadas a redes inalámbricas, o mejor dicho, sistemas dedicados al Internet de las Cosas (IoT).

La idea general del sistema gira en torno a prescindir del uso de baterías recargables requeridas para que estos sensores puedan trabajar al interior de estos pequeños dispositivos como los encontrados en sistemas para el monitoreo y seguridad, además de otros componentes accionadores como controles digitales.

Tal como se observa en la siguiente ilustración, los generadores de energía convencionales basados en sensores MEMS utilizan electretos un módulo equivalente al magneto permanente que almacena una carga, el cual se incorpora a un capacitor interno dentro del MEMS, y que finalmente es el encargado de generar electricidad al inducir movimientos de las cargas. Los científicos nipones refieren que desafortunadamente, estos diseños están muy limitados porque los procesos de fabricación tanto para el electreto como para los componentes MEMS tienen que ser compatibles.

En el proyecto donde participó también el profesor del Tokyo Tech, Daisuke Yamane, propuso un nuevo recolector de energía basado en electretos MEMS que consta de dos chips separados: uno para el condensador sintonizable MEMS, y otro que contiene un electreto y material dieléctrico para formar otro Condensador (Fig. 1).

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“Esto nos permite separar físicamente las estructuras y los electretos del MEMS por primera vez”, afirmó Yamane Daisuke, investigador del Tecnológico de Tokio.
     

De acuerdo a los especialistas, hay tres formas básicas de convertir vibraciones en electricidad aplicando para alimentar pequeños componentes electrónicos: mecanismos electromagnéticos, electrostáticos y piezoeléctricos. Los científicos de Tokyo Tech prefirieron el método electrostático porque ofrece una selección más amplia de bajas frecuencias y porque la densidad de potencia de salida es relativamente mayor.

El principio de operación del MEMS.
     

El recolector de energía electrostática MEMS utiliza un electreto (el equivalente eléctrico de un imán permanente con una carga almacenada permanentemente) y un capacitor variable MEMS. El condensador emplea un electrodo móvil conectado a un resorte, que se mueve con la vibración ambiental.

La capacitancia del electreto es fija, mientras que el capacitor variable cambia de acuerdo con el estiramiento del resorte. Cuando la cantidad de carga del capacitor variable es mayor que la carga fija, se induce un movimiento de cargas entre los dos electrodos y el capacitor variable gana carga. Del mismo modo, cuando la cantidad de carga en el condensador fijo en el electreto es mayor, hay un movimiento de cargas en la dirección opuesta y su electrodo gana carga. Es este movimiento de cargas el que da paso a la generación de energía, de acuerdo con el principio de la electrostática.

Imágenes donde se observan las mediciones de energía de salida.
     

"Creemos que las técnicas de unión convencionales ayudarán a minimizar el tamaño total y también ayudarán a mejorar el rendimiento al momento de generar energía", agregó Yaman quien adelantó que estas mejoras serán implementadas en los siguientes años, por lo que reconoció que esta tecnología es apenas el inicio de un modelo totalmente sustentable para alimentar múltiples sistemas electrónicos que vendrán a formar parte de tecnologías inteligentes que utilizarán redes de comunicación inalámbricas.

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