Jste zde

Miniaturní senzory napájené vestavěným solárním článkem

Antonín Vojáček, 7. Říjen 2010 - 21:54

Pomalu se stávají skutečností miniaturní, jen několik mm veliké, bezdrátové senzory napájené jen prostřednictvím miniaturních solárních článků. Zde jsou dvě ukázky již představených systémů vývojových skupin dvou univerzit.

Již několik let můžeme v různých časopisech číst vizionářské články o „armádě“ miniaturních senzorů velikosti zrnka písku, často označované jako tzv. inteligentní prach. Ten pak rozhozený do prostoru může měřit nejrůznější veličiny a data vysílat bezdrátově do sběrného systému, třeba v podobě kapesního počítače. Ještě nedávno to opravdu byly jen vize, ale v posledních 2 letech se vědci a výzkumní pracovníci k této vizi již dost přiblížili. Vývojová pracoviště několika universit již představila samostatné a energeticky plně soběstačné miniaturní senzory. Přispěli k tomu i nejnovější dosažené výsledky v oblasti solárních článků a minimalizace spotřeby elektřiny integrovaných mikrokontrolérů. Ukažme si dva skutečné zveřejněné příklady:

Kompletní bezdrátový senzor velikosti 2,5 x 3,5 x 1 mm

Výzkumníci University of Michigan pod vedením pana Scotta Hansona vytvořili a letos představili miniaturní solárně napájený senzor o celkové ploše jen cca 9 mm2. Systém, který je více než 1000krát menší než dnešní podobné komerční produkty, obsahuje vše potřebné k samostatnému provozu:

Solární článek - hlavní zdroj el. energie
Mikrokontrolér – zpracování naměř. veličiny a komunikace s okolím
Snímací prvek - senzor teploty, MEMS senzor tlaku, MEMS akcelerometr apod.
Akubaterii - ukládání energie ze solárního článku

To vše umístěné v minirámu rozměrů 2,5 x 3,5 x 1 mm. Přitom z pohledu struktury jednotlivých uvedených položek nejde zase o nic neuvěřitelného, protože tyto komponenty již prakticky na trhu můžeme nalézt, i když v podobě jednotlivých zapouzdřených integrovaných obvodů. Trošku nadneseně by se dalo říct, že stačilo vše jen vhodně zkompletovat. To také prakticky dokazuje, že komerční produkci takových systémů již zase tak daleko nejsme. Solární článek je „klasický“ monokrystalický panel v miniaturní velikosti. To je možné díky velmi velmi minimalizované spotřebě el. energie měřícího systému. Konkrétně mikrokontrolér byl optimalizován tak, že ve spícím režimu (sleep mode) spotřebovává jen desetiny nW energie, tedy prakticky nic. Protože v tomto režimu senzor pobývá většinu svého provozního času, má i tak malinký solární panel šanci nabít mini akubaterii, jejíž energie pak posiluje provoz systému při měření či odesílání dat. Vzhledem k tomu, že tento aktivní režim tvoří jen zlomek času provozu celého minisenzoru a díky minimalizovanému času přechodu ze spícího režimu do měřícího a zpět, to může celé fungovat. Za vše hovoří celkový průměrný příkon senzoru méně než 1 nW!

Hlavním cílem výzkumu má být nasazení v lékařství v podobě miniaturních monitorovacích systémů stavu pacienta, kterého nebudou miniaturní snímače tolik obtěžovat a omezovat jako současné monitoring. Ale samozřejmě na podobné minisenzory se bohužel těší i armády nebo různé špionážní agentury.

Kompletně integrovaný MEMS senzor s organickým solárním modulem

„Zahanbit“ se však například nenechali ani pracovníci výzkumného centra University of South Florida (Tampa, FL) a představili mikromechanický systém (MEMS) vybavený zajímavým organickým solárním panelem. Výhodou tohoto stále relativně nového typu solárního článku je nejen dobrý poměr velikosti vyráběné energie vzhledem k jejich velikosti (hlavně tloušťce), ale i možnost jej implementovat na širokou škálu různých podložek, včetně plastu. Tím jsou velmi dobře implementovatelné přímo na samotný mikroskopický MEMS mechanismu a vytvořit s ním jeden kompaktní celek. Proti křemíkovým článkům pak ty organické mají daleko větší absorpci světla a tím i větší účinnost při velmi tenkém provedení.

U prezentovaného exempláře například dosahovala aktivní vrstva solárního článku tloušťku jen 200 nm. Ve výsledku tak 2 cm2 veliký kompaktní organický solární modul pevně spojený s MEMS systémem, tvořený 20 sériově zapojených miniaturních solárních článků. Aktivní vrstva pak je tvořena organickými materiály P3HT a PCBM. Celý článek má výšku jen 400 nm, přičemž je v možnostech výšku snížit jen na cca 232 nm při generování napětí 5,2 až 7,8 V a zkratovém proudu 13 mikroA.

Solární článek pak v uvedeném případě napájel MEMS senzor chemickým sloučenin, jehož struktura je založena na uhlíkových nanotrubičkách. Ty slouží k zachytávání a detekování určitých molekul chemických sloučenin prostřednictvím měření změn elektrického náboje vznikající „příchodem“ molekul do nanotrubičky.

Závěrem...

Postupná nezadržitelná miniaturizace elektronických i mechanických systémů nás asi již v relativně blízké době opravdu prakticky přiblíží k onomu "inteligentnímu prachu". Výše uvedené příklady jsou toho již klasickým důkazem. To co si ještě před 30 a více lety nepředstavovali ani spisovatelé Scifi se stává skutečností....

Článek vytvořil z tiskových zpráv: Antonín Vojáček