Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2011
Jennifer Chu, MIT
Современные сети беспроводных датчиков могут использоваться повсюду – от систем наблюдения за промышленным оборудованием до мониторинга загрязнения окружающей среды и измерения движения строений и мостов. Слаженная работа распределенной системы сенсоров способна отслеживать активность вдоль нефтепровода или в глубине леса, контролируя множество параметров одновременно..
Возможности использования беспроводных датчиков фактически безграничны, но есть один сдерживающий фактор этой технологии – источник энергии. Даже, если вследствие дальнейших улучшений, энергопотребление подобных систем понизится, батареи беспроводных датчиков все равно необходимо будет периодически заряжать. Особенно это актуально для сетей в удаленных местах, так как замена батарей в тысячах датчиков – непростая задача.
Пытаясь устранить эту проблему, исследователи решили собирать энергию от маломощных источников в окружающей среде, таких как вибрация от качающихся мостов, движущихся механизмов и грохота пешеходного потока. Подобные естественные источники энергии помогут навсегда покончить с необходимостью батарейного питания в беспроводных датчиках.
На данный момент исследователи из MIT (Massachusetts Institute of Technology) разработали устройство, которое собирает энергию от низкочастотной вибрации, например такой, какая ощущается вдоль трубопроводов или мостов. Крохотный сборщик энергии, технически известный как микроэлектромеханическая система, или МЭМС, воспринимает более широкий диапазон вибраций, чем существующие разработки и способен генерировать в 100 раз больше электроэнергии, чем устройства сопоставимого размера. Команда опубликовала результаты 23 августа на страницах издания Applied Physics Letters.
«Беспроводные датчики широко распространены, но они не имеют вспомогательного источника питания», – заявил Санг-Гук Ким (Sang-Gook Kim), профессор технологии машиностроения при MIT и соавтор доклада. – «Я думаю, наша система сбора энергии вибрации прекрасно поможет устранить данную проблему».
 |
| Санг-Гук Ким |
Применим сжатие
Собирать электроэнергию от окружающей вибрации исследователи решили с помощью пьезоэлектрических материалов, таких как кварц и другие кристаллы. Подобные материалы способны накапливать электрический заряд под воздействием механических сил («piezo» по-гречески означает «сжимать» или «сдавливать»). За последние несколько лет исследователи добились успеха в применении пьезоэлектрических материалов при конструировании микроразмерных МЭМС устройств, генерирующих малое количество энергии.
Различные группы испытателей пришли к одной общей идее конструкции устройства: маленький микрокристалл со слоями пьезоэлектрика приклеен к верхней точке крошечной консольной балки. Когда микросхема повергается вибрации, балка начинает изгибаться вверх и вниз подобно трамплину для прыжков в воду, изгибая и сжимая слои пьезоэлектрика. Сжимающийся материал порождает электрический заряд, который может быть снят массивом миниатюрных электродов.
Однако, консольной конструкции присущи существенные недостатки. Балка имеет собственную резонансную частоту – особенную частоту, при которой ее колебания максимальны. При отклонении от этой частоты отклик балки на колебания уменьшается, что, в свою очередь, уменьшает количество производимой энергии.
«В лаборатории вы можете двигать и трясти устройство с той частотой, с которой захотите, и оно будет работать» – заявил соавтор Арман Хаяти (Arman Hajati), проводивший работы как студент MIT. – «Но в реальности источник вибрации не постоянен, и вы получите очень мало энергии, если его частота не та, которую вы ожидали».
 |
| Арман Хаяти |
Некоторые исследователи предприняли попытки решить эту проблему количественно, то есть путем простого увеличения числа используемых консольных балок и слоев пьезоэлектрика в микросхеме. Однако Ким и Хаяти сошлись на мнении, что подобный подход существенно повысит общую стоимость, и не оправдан.
«Изготавливать миллионы многослойных датчиков по цене $10 слишком дорого» – заявил Ким. – «Но если в процессе создания устройства мы используем только один слой пьезоэлектрика, общая стоимость одного датчика будет не более $1».
Решение проблемы
Ким и Хаяти отыскали решение, которое расширило полосу частот устройства (рабочий диапазон), увеличив при этом плотность мощности, т.е. количество энергии, генерируемой с 1 см2 микросхемы). Вместо того, чтобы использовать конструкцию основанную на консольных балках они пошли слегка другим путем – разработали микросхему с миниатюрной структурой, похожей на мост, закрепленный с обеих сторон на кристалле. Исследователи нанесли на этот мост один слой пьезоэлектирка, а на его середине поместили небольшой груз.
После того, как команда пропустила устройство через серию вибрационных тестов, было обнаружено, что оно способно откликаться не только на одну определенную частоту, но так же и на широкий диапазон колебаний других низких частот. Исследователи вычислили, что устройство способно производить 45 микроватт мощности при одном только слое пьезоэлектрика, – а это в два раза больше, чем у существовавших ранее устройств.
«Если окружающая вибрация всегда одной частоты и не меняется, существующие разработки работают хорошо» – заявил Дэниел Инман (Daniel Inman), профессор авиакосмической техники Мичиганского Университета. – «Но как только частота изменяется или немного сдвигается, вырабатываемая мощность резко падает. Это новое устройство имеет более широкий частотный диапазон, а это означает, что данная проблема, в принципе, решена». Инман добавил, что дальнейшие исследования группы MIT будут направлены на снижение границы захватываемых частот, ввиду того, что частоты вибраций в природе обычно меньше, чем нижняя граница полосы пропускания разработанного устройства.
Хаяти заявил, что команда планирует оптимизировать устройство для повышения его способности регистрировать более низкие частоты и производить еще больше энергии.
«Наша цель – получить не менее 100 микроватт, и это то, о чем нас все просят» – заявил Хаяти, ныне инженер-разработчик в FujiFilm Dimatix (Santa Clara, Calif). – «Например, при мониторинге трубопроводов, если вы производите 100 микроватт, вы можете питать целую сеть интеллектуальных датчиков, которые будут обмениваться друг с другом, используя эту систему».
