En un gran avance para la energía verde, los investigadores han demostrado una nueva técnica para convertir de manera eficiente señales de radiofrecuencia amplias en voltajes de CC que pueden alimentar dispositivos y sensores electrónicos, lo que permite habilitar el funcionamiento sin baterías.
Las tecnologías inalámbricas omnipresentes, como Wi-Fi, Bluetooth y 5G, dependen de señales de radiofrecuencia (RF) para enviar y recibir datos. Un nuevo prototipo de módulo de recolección de energía, desarrollado por un equipo dirigido por científicos de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), ahora puede convertir señales de RF ambientales o “desperdiciadas” en voltaje de corriente continua (CC). Se puede utilizar para alimentar pequeños dispositivos electrónicos sin el uso de baterías.
Las tecnologías de recolección de energía de RF, como estas, son importantes porque reducen la dependencia de la batería, extienden la vida útil del dispositivo, reducen el impacto ambiental y aumentan la viabilidad de las redes de sensores inalámbricos y los dispositivos IoT en áreas remotas donde el reemplazo frecuente de la batería no es práctico.
Sin embargo, las tecnologías de recolección de energía de RF enfrentan desafíos debido a la baja potencia de la señal de RF ambiental (generalmente menos de -20 dBm), donde la tecnología de rectificador existente no funciona o tiene una baja eficiencia de conversión de RF a CC. Si bien mejorar la eficiencia de la antena y la adaptación de impedancia puede aumentar el rendimiento, también aumenta el tamaño del chip, lo que presenta barreras para la integración y la miniaturización.
Para abordar estos desafíos, un equipo de investigadores de NUS, en colaboración con científicos de la Universidad de Tohoku (TU) en Japón y la Universidad de Messina (UNIME) en Italia, ha desarrollado una tecnología rectificadora compacta y sensible que utiliza un rectificador de espín a nanoescala (SR ). ) para convertir señales de radiofrecuencia inalámbricas ambientales a voltajes de CC a potencias inferiores a -20 dBm.
El equipo optimizó los dispositivos SR y diseñó dos configuraciones: 1) una única rectina basada en SR operativa entre -62 dBm y -20 dBm, y 2) una matriz de 10 SR en serie con una eficiencia del 7,8% y una sensibilidad de aproximadamente cero. 40,50 mV/mW integrando el conjunto SR en el módulo de recolección de energía, operaron con éxito un sensor de temperatura comercial a -27 dBm.
La recolección de señales electromagnéticas de RF ambientales es fundamental para avanzar en dispositivos y sensores electrónicos energéticamente eficientes. Sin embargo, los módulos de recolección de energía existentes enfrentan desafíos al operar a baja potencia ambiental debido a las limitaciones de la tecnología rectificadora actual”, explicó el profesor Yang Hyunsu del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Facultad de Diseño e Ingeniería de NUS, que dirigió el proyecto.
El profesor Yang agregó: “Por ejemplo, la tecnología de diodos Schottky de gigahercios ha estado languideciendo durante décadas debido a limitaciones termodinámicas a baja potencia, y los esfuerzos recientes se han centrado únicamente en mejorar el rendimiento de las antenas y las redes de adaptación de impedancia. Los rectificadores de espín a nanoescala, por otro lado, ofrecen una tecnología compacta para una conversión de RF a CC sensible y eficiente”.
Al explicar la innovadora tecnología del equipo, el profesor Yang dijo: “Optimizamos los rectificadores de espín para que funcionen con bajos niveles de potencia de RF disponibles en el medio ambiente, y dichos espines para alimentar LED y productos comerciales. Integrando una serie de rectificadores en un módulo de recolección de energía, nuestros resultados muestran que la tecnología SR es fácil de integrar y escalable para diversas aplicaciones de comunicación y RF de baja potencia. Facilita el desarrollo de matrices SR”.
La investigación experimental se llevó a cabo en colaboración con el profesor Shunsuke Fukami de TU y su equipo, mientras que la simulación estuvo a cargo del profesor Giovanni Finocchio de UNIME. Los resultados fueron publicados en la revista, Electrónica de la naturalezael 24 de julio de 2024.
Tecnología basada en rectificador de giro para funcionamiento de baja potencia
Rectificadores avanzados (diodos Schottky, diodos túnel y MoS bidimensional)2), han alcanzado eficiencias del 40% al 70%. PAGRF ≥ -10dBm. Sin embargo, la potencia de RF ambiental disponible a partir de fuentes de RF, como enrutadores Wi-Fi, es inferior a -20 dBm. Desarrollo de rectificadores de alta eficiencia para regímenes de baja potencia (PAGRF <-20 dBm) es difícil debido a restricciones termodinámicas y efectos parásitos de alta frecuencia. Además, los rectificadores en chip requieren una antena externa y un circuito de adaptación de impedancia, lo que evita el escalado en el chip. Por lo tanto, diseñar un rectificador para un módulo de recolección de energía (EHM) que sea sensible a la potencia de RF ambiental con un diseño compacto en chip sigue siendo un desafío importante.
Los rectificadores de espín a nanoescala pueden convertir una señal de RF en un voltaje de CC utilizando el efecto del diodo de espín. Aunque la tecnología basada en SR ha superado la sensibilidad del diodo Schottky, la eficiencia de baja potencia sigue siendo baja (<1%). Para superar las limitaciones de baja potencia, el equipo de investigación estudió las propiedades intrínsecas del SR, incluida la anisotropía perpendicular a la capa polarizadora, la geometría del dispositivo y la respuesta dinámica a lo largo del campo dipolar, que depende de la magnetorresistencia de túnel de campo cero. . y anisotropía magnética controlada por voltaje (VCMA). Combinando estos parámetros optimizados con un único SR con impedancia de antena externa correspondiente, el investigador diseñó una SR-rectenna de potencia ultrabaja.
Para mejorar la salida y lograr el funcionamiento en el chip, los SR se combinaron en una disposición de matriz, con pequeñas guías de ondas coplanares acopladas a los SR para potencia de RF, lo que dio como resultado un área en el chip compacta y de alto rendimiento. Uno de los hallazgos clave es que el efecto autoparamétrico impulsado por VCMA en rectificadores de espín basados en uniones de túnel magnético contribuye significativamente al funcionamiento de baja potencia de los conjuntos SR, mientras que su ancho de banda y voltaje de rectificación también aumentan. En una comparación exhaustiva con la tecnología de diodos Schottky en las mismas condiciones ambientales y a partir de evaluaciones bibliográficas anteriores, el equipo de investigación descubrió que la tecnología SR puede ser la tecnología de rectificador más compacta, eficiente y sensible.
Al comentar sobre la importancia de sus hallazgos, el Dr. Raghav Sharma, primer autor del artículo, compartió: “A pesar de una extensa investigación global sobre rectificadores y módulos de recolección de energía, las limitaciones fundamentales en la tecnología de rectificadores para el funcionamiento de potencia de RF ambiental baja siguen sin resolverse. La tecnología ofrece una alternativa prometedora, superando el rendimiento y la sensibilidad de los diodos Schottky actuales en sistemas de baja potencia, avanzando en las tecnologías de rectificación de RF a baja potencia, permitiendo ambiente de próxima generación. Esto allana el camino para diseños basados en residuos de espín de recolectores de energía de RF y sensores.”
Próximos pasos
El equipo de investigación de NUS está explorando ahora la integración de antenas en chip para mejorar el rendimiento y la compacidad de las tecnologías SR. El equipo también está desarrollando conexiones en serie-paralelo para ajustar la impedancia de grandes conjuntos de SR utilizando interconexiones en chip para conectar SR individuales. El objetivo de este enfoque es aumentar la captación de energía de RF, produciendo potencialmente un voltaje rectificado crítico de unos pocos voltios, eliminando así la necesidad de un amplificador de CC a CC.
Los investigadores pretenden colaborar con socios industriales y académicos para desarrollar sistemas inteligentes autónomos basados en rectificadores SR en chip. Esto podría allanar el camino para tecnologías compactas en chips para sistemas de detección de señales y carga inalámbrica.
