Исследовательский центр Imec в сотрудничестве с Holst Centre разработал и представил первую микроэлектромеханическую систему (МЭМС, MEMS) преобразования механической энергии вибрации в электрическую с рекордным уровнем выходной мощности 489 мкВт. Измерения и моделирование показали, что данное устройство может применяться в средах с высокой вибрацией для преобразования и накопления энергии, например, в автомобильных шинах для питания встроенных сенсоров. В шине, при скорости движения 70 км/ч, новое устройство может обеспечить постоянную выходную мощность 42 мкВт, достаточную для питания простого беспроводного датчика. Эти результаты, полученные в рамках программы исследовательского центра Micropower Generation and Storage, были представлены на мероприятии IEEE International Electron Devices Meeting.

Инновационный преобразователь энергии состоит из консоли (cantilever, кантилевер) с пьезоэлектрическим покрытием, помещенной между двумя металлическими электродами, образующими конденсатор. На конце кантилевера закреплена масса, транслирующая макроскопические вибрации в вертикальные перемещения, которые, воздействуя на пьезоэлектрический слой, генерируют напряжение на конденсаторе. В качестве пьезоэлектрического материала выбран нитрид алюминия (AlN). Технологий производства преобразователей совместима с промышленными процессами изготовления недорогой массовой продукции.

Новые устройства имеют рекордно высокий уровень выходной мощности 489 мкВт, при условии, что частота вибрации близка к резонансной частоте МЭМС, значение которой, в данном случае, равно 1011 Гц. Совместно со своими партнерами – автопроизводителями исследовательский центр Imec подтвердил возможность установки преобразователей в автомобильных шинах, что позволит использовать энергию механических вибраций, зависящих от скорости движения, состояния и параметров шин, а также от характеристик поверхности дороги. Каждый толчок будет сопровождаться смещением массы кантилевера, провоцирующим его затухающие колебания на частоте собственного резонанса. Во время колебаний, продолжительность которых зависит от добротности МЭМС преобразователя, часть механической энергии будет преобразовываться в электрическую. Показано, что постоянная выходная мощность преобразователя при скорости движения автомобиля 70 км/ч может достигать 42 мкВт.

Подобные микромашинные преобразователи энергии идеально подходят для генерации электрической энергии от промышленных механизмов и устройств, подверженных механической вибрации или повторяющимся ударам. В таких условиях они могут питать миниатюрные автономные датчики, когда применение батарей невозможно или непрактично. Один из примеров применения преобразователей – система контроля давления и температуры в шинах (TMPS) во время движения: автомобильная шина с встроенными датчиками, которые контролируют целостность шины и давление, состояние дороги и стиль вождения.