Предложен метод производства энергии из низкочастотных вибраций

Одним из факторов, ограничивающих применение беспроводных датчиков, является обеспечение их питанием. Несмотря на сверхнизкое энергопотребление, все равно время от времени возникает необходимость в замене батареи. Поэтому ученые ведут активный поиск источников сбора энергии в окружающей среде.

Вибраций вокруг достаточно — их источниками служат, например, опорные мосты, производящие шум машины, и даже плотный поток движущихся пешеходов. Этих источников вполне достаточно для маломощных батарей, используемых в беспроводных датчиках.

Ученые Массачусетского технологического института разработали устройство размером в 25-центовую монету, которое способно вырабатывать электроэнергию из низкочастотных вибраций, например тех, что чувствуются при движении по мосту, и работает в большом диапазоне частот. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

На лабораторном стенде — MEMS, преобразующее низкочастотные вибрации в электричество

Чип состоит из пьезоэлектрического (PZT) материала, прикрепленного на поверхность тонкой консольной балки. При вибрации консоль движется, вызывая изгиб и нагрузку в слоях PZT, что приводит к появлению электрического заряда, который отводится с помощью массива тонких электродов. Правда, использование консольных балок имеет значительные ограничения — у самой балки есть резонансная частота, вне ее отклик прибора уменьшается, а одновременно — уменьшается количество выработанной энергии.

Чтобы решить эту проблему, некоторые группы исследователей просто наращивает число консольных балок и PZT слоев, но такой подход и дорогой, и неэффективный. Поэтому в МТИ решили повысить мощность за счет увеличения энергии, собираемой с единицы площади чипа. Для этого на балке располагается один слой PZT, в центр которого добавляется небольшой вес. Серия тестов показала, что устройство работает на разных частотах и может генерировать до 45 мкВт. В перспективе в МТИ надеются повысить этот показатель до 100 мкВт — этого будет достаточно для управления сетью микродатчиков, поддерживающих связь друг с другом.