Tecnologias sem fio, como Wi-Fi, Bluetooth e 5G, operam através de sinais de radiofrequência (RF) para transmissão e recepção de dados. Agora, pesquisadores da Universidade Nacional de Singapura (NUS) criaram um protótipo de módulo de coleta de energia que transforma sinais RF ambientes em tensão de corrente contínua (DC). Essa inovação permite alimentar pequenos dispositivos eletrônicos sem a necessidade de baterias.
A coleta de energia RF é essencial para reduzir a dependência de baterias, prolongar a vida útil dos dispositivos, minimizar o impacto ambiental e aumentar a viabilidade de redes de sensores sem fio e dispositivos IoT em locais remotos, onde a troca frequente de baterias é inviável.
No entanto, essas tecnologias enfrentam desafios devido à baixa potência dos sinais RF disponíveis (geralmente menos de -20 dBm). A tecnologia de retificadores atual muitas vezes não funciona adequadamente ou apresenta baixa eficiência de conversão RF-para-DC. Melhorar a eficiência das antenas e o casamento de impedância pode aumentar o desempenho, mas isso também aumenta o tamanho dos chips, dificultando a integração e miniaturização.
Para resolver esses problemas, a equipe da NUS, em colaboração com cientistas da Universidade de Tohoku (TU) no Japão e da Universidade de Messina (UNIME) na Itália, desenvolveu uma tecnologia de retificador compacta e sensível usando retificadores em escala nanométrica (SR). Essa tecnologia consegue converter sinais RF ambientes com potência inferior a -20 dBm em tensão DC.
A equipe otimizou os dispositivos SR e projetou duas configurações: 1) uma retentna baseada em SR única, operando entre -62 dBm e -20 dBm, e 2) uma matriz de 10 SRs em série, alcançando 7,8% de eficiência e sensibilidade de zero-bias de aproximadamente 34.500 mV/mW. Integrando a matriz SR em um módulo de coleta de energia, eles conseguiram alimentar um sensor de temperatura comercial a -27 dBm.
“Coletar sinais eletromagnéticos RF ambientes é crucial para o avanço de dispositivos eletrônicos e sensores eficientes em termos de energia. No entanto, os módulos de coleta de energia existentes enfrentam desafios ao operar em baixa potência ambiente devido a limitações na tecnologia de retificadores”, explicou o Professor Yang Hyunsoo, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da NUS, que liderou o projeto.
Tecnologia de Retificadores Baseada em Spin para Operação de Baixa Potência
Os retificadores de última geração (diodos Schottky, diodos de túnel e MoS2 bidimensional) atingem eficiências de 40–70% a Prf ≥ -10 dBm. No entanto, a potência RF ambiente disponível de fontes como roteadores Wi-Fi é inferior a -20 dBm.
Desenvolver retificadores de alta eficiência para regimes de baixa potência (Prf < -20 dBm) é difícil devido a restrições termodinâmicas e efeitos parasitários de alta frequência. Além disso, retificadores on-chip exigem uma antena externa e circuito de casamento de impedância, dificultando a escalabilidade on-chip. Portanto, projetar um retificador para um Módulo de Coleta de Energia (EHM) que seja sensível à potência RF ambiente com um design on-chip compacto permanece um desafio significativo.
Os retificadores em escala nanométrica podem converter o sinal RF em tensão DC usando o efeito de diodo spin. Embora a tecnologia baseada em SR tenha superado a sensibilidade dos diodos 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 anisotropia perpendicular, geometria do dispositivo e campo dipolar da camada polarizadora, bem como a resposta dinâmica, que depende da magnetoresistência de túnel sem campo e da anisotropia magnética controlada por tensão (VCMA). Combinando esses parâmetros otimizados com a antena externa casada com a impedância de um único SR, os pesquisadores projetaram uma retentna SR de ultrabaixa potência.
Para melhorar a saída e alcançar operação on-chip, os SRs foram acoplados em uma configuração de matriz, com pequenas guias de onda coplanares nos SRs para acoplar a potência RF, resultando em uma área on-chip compacta e alta eficiência.
Um dos principais achados é que o efeito auto-paramétrico, impulsionado pela conhecida VCMA em retificadores baseados em junções de túnel magnéticas, contribui significativamente para a operação de baixa potência das matrizes SR, enquanto também aumenta sua largura de banda e tensão de retificação.
Em uma comparação abrangente com a tecnologia de diodos 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 dos resultados, Dr. Raghav Sharma, o primeiro autor do artigo, compartilhou: “Apesar da extensa pesquisa global sobre retificadores e módulos de coleta de energia, restrições fundamentais na tecnologia de retificadores permanecem não resolvidas para operação em baixa potência RF ambiente.
A tecnologia de retificador spin oferece uma alternativa promissora, superando a eficiência e sensibilidade dos diodos Schottky no regime de baixa potência. Este avanço estabelece um marco para as tecnologias de retificadores RF em baixa potência, abrindo caminho para o design de colhedores de energia RF ambiente de próxima geração e sensores baseados em retificadores spin.”
Próximos Passos dos Pesquisadores
A equipe de pesquisa da NUS está agora explorando a integração de uma antena on-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 matrizes de SRs, utilizando interconexões on-chip para conectar SRs individuais. Essa abordagem visa melhorar a coleta de energia RF, potencialmente gerando uma tensão retificada significativa de alguns volts, eliminando assim a necessidade de um booster DC-para-DC.
Os pesquisadores também pretendem colaborar com parceiros da indústria e academia para o avanço de sistemas inteligentes autossustentáveis baseados em retificadores SR on-chip. Isso pode abrir caminho para tecnologias on-chip compactas para sistemas de carregamento sem fio e detecção de sinais.
Fonte: Newswise
