Num avanço para a energia verde, os investigadores demonstraram uma nova técnica para converter eficientemente sinais de radiofrequência ambientais em tensão CC que pode alimentar dispositivos e sensores eletrônicos, permitindo seus funcionamentos sem bateria.
Sobretudo, tecnologias sem fio onipresentes como Wi-Fi, Bluetooth e 5G dependem de sinais de radiofrequência (RF) para enviar e receber dados. Nesse sentido, um novo protótipo de módulo de captação de energia – desenvolvido por uma equipe liderada por cientistas da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) – pode agora converter sinais de RF ambientais ou “resíduos” em tensão de corrente contínua (CC). Isso pode ser usado para alimentar pequenos dispositivos eletrônicos sem o uso de baterias.
Tecnologias de captação de energia de RF, como esta, são essenciais, pois reduzem a dependência da bateria, prolongam a vida útil dos dispositivos, minimizam o impacto ambiental e melhoram a viabilidade de redes de sensores sem fio e dispositivos IoT em áreas remotas onde a substituição frequente da bateria é impraticável.
No entanto, as tecnologias de captação de energia de RF enfrentam desafios devido à baixa potência do sinal de RF ambiente (normalmente inferior a -20 dBm), onde a tecnologia retificadora atual falha em operar ou exibe uma baixa eficiência de conversão de RF para CC. Embora melhorar a eficiência da antena e a correspondência de impedância possa melhorar o desempenho, isso também aumenta o tamanho do chip, apresentando obstáculos à integração e à miniaturização.
Enfrentando desafios
Para enfrentar esses desafios, uma equipe de pesquisadores da NUS, trabalhando em colaboração com cientistas da Universidade de Tohoku (TU) no Japão e da Universidade de Messina (UNIME) na Itália, desenvolveu uma tecnologia retificadora compacta e sensível que utiliza retificador de spin em nanoescala (SR ) para converter sinais de radiofrequência sem fio ambiente com potência inferior a -20 dBm em uma tensão CC.
Assim, a equipe otimizou dispositivos SR e projetou duas configurações: 1) uma única retena baseada em SR operacional entre -62 dBm e -20 dBm e 2) um conjunto de 10 SRs em série alcançando 7,8% de eficiência e sensibilidade de polarização zero de aproximadamente 34.500 mV/mW. Integrando o conjunto SR em um módulo de coleta de energia, eles alimentaram com sucesso um sensor de temperatura comercial a -27 dBm.
O professor Yang Hyunsoo do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Faculdade de Design e Engenharia NUS, que liderou o projeto, informou:
“A coleta de sinais eletromagnéticos de RF ambientais é crucial para o avanço de dispositivos e sensores eletrônicos com eficiência energética. No entanto, os Módulos de Coleta de Energia existentes enfrentam desafios ao operar em baixa potência ambiente devido a limitações na tecnologia retificadora existente.”
O professor Yang acrescentou:
“Por exemplo, a tecnologia de diodo Schottky gigahertz permaneceu saturada por décadas devido a restrições termodinâmicas em baixa potência, com esforços recentes focados apenas em melhorar a eficiência da antena e redes de correspondência de impedância, às custas de maiores pegadas no chip. Os retificadores de spin em nanoescala, por outro lado, oferecem uma tecnologia compacta para conversão RF em CC sensível e eficiente.”
Elaborando sobre a tecnologia inovadora da equipe, o professor Yang disse:
“Otimizamos os retificadores de spin para operar em baixos níveis de potência de RF disponíveis no ambiente e integramos uma série de tais retificadores de spin a um módulo de coleta de energia para alimentar o LED e comerciais sensor com potência de RF inferior a -20 dBm. Nossos resultados demonstram que a tecnologia SR é fácil de integrar e escalável, facilitando o desenvolvimento de matrizes SR em grande escala para várias aplicações de comunicação e RF de baixa potência.”
A pesquisa experimental foi realizada em colaboração com o professor Shunsuke Fukami e sua equipe da TU, enquanto a simulação foi realizada pelo professor Giovanni Finocchio da UNIME. Os resultados foram publicados na prestigiosa revista Nature Electronics, em 24 de julho de 2024.
Tecnologia baseada em retificador spin para operação de baixa potência
Retificadores de última geração (diodos Schottky, diodos túnel e MoS2 bidimensional) atingiram eficiências de 40–70% em Prf ≥ -10 dBm. No entanto, a potência de RF ambiente disponível a partir de fontes de RF, como roteadores Wi-Fi, é inferior a -20 dBm. O desenvolvimento de retificadores de alta eficiência para regimes de baixa potência (Prf -20 dBm) é difícil devido a restrições termodinâmicas e efeitos parasitas de alta frequência. Além disso, os retificadores no chip requerem uma antena externa e um circuito de correspondência de impedância, impedindo o escalonamento no chip. Portanto, projetar um retificador para um Módulo de Coleta de Energia (EHM) que seja sensível à potência de RF ambiente com um design compacto no chip continua sendo um desafio significativo.
Os retificadores de spin em nanoescala podem converter o sinal de RF em uma tensão CC usando o efeito de diodo de spin. Embora a tecnologia baseada em SR tenha superado a sensibilidade do diodo Schottky, a eficiência de baixa potência ainda é baixa (1%). Para superar as limitações de baixa potência, a equipe de pesquisa estudou as propriedades intrínsecas do SR, incluindo a anisotropia perpendicular, a geometria do dispositivo e o campo dipolar da camada polarizadora, bem como a resposta dinâmica, que depende da magnetorresistência de tunelamento do campo zero e da anisotropia magnética controlada por tensão (VCMA). Combinando esses parâmetros otimizados com a impedância da antena externa combinada com um único SR, o pesquisador projetou a retena SR de potência ultrabaixa.
Melhorando a produção
Para melhorar a produção e obter operação no chip, os SRs foram acoplados em um arranjo de matriz, com pequenos guias de onda coplanares nos SRs empregados para acoplar a potência de RF, resultando em uma área compacta no chip e alta eficiência. Uma das principais descobertas é que o efeito autoparamétrico impulsionado pelo conhecido VCMA em retificadores de spin baseados em junções de túnel magnético contribui significativamente para a operação de baixa potência de matrizes SR, ao mesmo tempo que aumenta sua largura de banda e tensão de retificação. Em uma comparação abrangente com a tecnologia de diodo Schottky na mesma situação ambiente e a partir de avaliações anteriores da literatura, a equipe de pesquisa descobriu que a tecnologia SR pode ser a tecnologia de retificador mais compacta, eficiente e sensível.
Comentando sobre a importância de seus resultados, o Dr. Raghav Sharma, o primeiro autor do artigo, compartilhou:
“Apesar da extensa pesquisa global sobre retificadores e módulos de coleta de energia, as restrições fundamentais na tecnologia de retificadores permanecem sem solução para operação de energia de RF em ambientes baixos. A tecnologia spin-retificador oferece uma alternativa promissora, superando a eficiência e sensibilidade do diodo Schottky atual em regime de baixa potência. Este avanço compara tecnologias de retificadores de RF de baixa potência, abrindo caminho para o projeto de sensores e coletores de energia de RF ambiente de próxima geração baseados em retificadores de spin.”
Próximos passos
A equipe de pesquisa da NUS está agora explorando a integração de uma antena no chip para melhorar a eficiência e a compactação das tecnologias SR. A equipe também está desenvolvendo conexões série-paralelo para ajustar a impedância em grandes conjuntos de SRs, utilizando interconexões no chip para conectar SRs individuais. Esta abordagem visa melhorar a captação de energia de RF, gerando potencialmente uma tensão retificada significativa de alguns volts, eliminando assim a necessidade de um amplificador CC para CC.
Os pesquisadores também pretendem colaborar com parceiros industriais e acadêmicos para o avanço de sistemas inteligentes autossustentados baseados em retificadores SR on-chip. Isso poderia abrir caminho para tecnologias compactas no chip para carregamento sem fio e sistemas de detecção de sinal.
(Fonte)
Estaríamos assim mais próximos da tão cogitada Energia de Ponto Zero, que poderia revolucionar o nosso planeta?
n3m3
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