Для питания носимой электроники и множества датчиков наравне с добычей электричества из света, радиоволн и тепла изучается вопрос получения энергии из вибраций. Вокруг нас вибрирует и трясётся практически всё. Амплитуда раскачки высотных зданий, например, может достигать многих десятков сантиметров. Было бы заманчиво использовать вибрации ― это практически вечная бесплатная энергия для питания маломощной электроники.
Пример электростатического генератора электричества
В процессе добычи электроэнергии из вибраций используются электромагнитные, электростатические и пьезоэлектрические принципы преобразования колебаний в ток. Две группы японских учёных из Токийского технологического института и Токийского университета решили усовершенствовать идеальный для широкого спектра низкочастотных вибраций электростатический метод. В частности, учёные предложили новый подход для электростатической добычи электроэнергии с помощью микроэлектромеханических схем MEMS.
До сих пор преобразователь вибраций в электричество строился на основе интеграции в MEMS электрета ― постоянно заряженного диэлектрика. Вибрации заставляли электрод на подпружиненном контакте перемещаться вдоль заряженного электрета, что вело к возбуждению электрического тока. Фактически электрод с пружиной представляет собой переменную ёмкость (конденсатор), а электрет ― постоянную. Поэтому сила генерируемого тока и напряжение зависят не только от амплитуды и частоты колебаний, а также от величин ёмкости переменного конденсатора и электрета. К сожалению, подобная схема не позволяет в значительной степени манипулировать ёмкостью электрета, поскольку он ограничен размерами чипа MEMS.
Улучшенный вариант электростатического MEMS-генератора (Tokyo Institute of Technology and the University of Tokyo)
Японские учёные предложили усовершенствовать генератор, для чего вынесли электрет за пределы MEMS. Это очевидное, но непростое решение. В такой схеме повышается паразитная ёмкость за счёт разного рода прослоек, в том числе ― воздушных. Снизить потери удалось за счёт послойного (в виде бутерброда) изготовления двух чипов: MEMS и электретного. На очереди испытания и доработка конструкции, как и её составных частей. До коммерческого воплощения разработки пройдут годы, сообщают учёные, но когда-нибудь мелкая электроника сможет обойтись без батареек.
