ZAKŁAD BADAŃ PODZESPOŁÓW URZĄDZEŃ I SYSTEMÓW

ZAKŁAD BADAŃ PODZESPOŁÓW
URZĄDZEŃ I SYSTEMÓW
Kierownik: dr hab. inż. Jan ŁYSKO, prof. nadzw. w ITE
Tel. (22) 846 54 31 w. 204, e-mail: [email protected]
1. Działalność badawczo-rozwojowa w 2014 r.
Działalność statutowa
Projekt D. Nano- i mikromateriały dla zastosowań w technologiach warstw grubych
(kierownik projektu: dr inż. Piotr Guzdek)
 Zadanie D4. Opracowanie nowych materiałów i procesów technologicznych
dla potrzeb wykonania systemu zasilania bezprzewodowego
2. Statutowy projekt badawczy
Nano- i mikromateriały dla zastosowań w technologiach warstw
grubych
Zadanie D4. Opracowanie nowych materiałów i procesów technologicznych
dla potrzeb wykonania systemu zasilania bezprzewodowego
Kierownik zadania: dr hab. inż. Jan Łysko, prof. nadzw. w ITE
W pierwszym etapie zadania zajęto się zagadnieniem nowych materiałów do wykorzystania w technologii anten przeznaczonych do pozyskiwania energii (energy harvesting) emitowanego promieniowania elektromagnetycznego rozpraszanego w środowisku.
Celem tego wieloletniego projektu jest opracowanie autonomicznych, bezobsługowych systemów elektronicznych, zawierających m. in. inteligentne czujniki elektroniczne, anteny (opcjonalnie dodatkowo fotoogniwa), elektroniczne układy scalone (zawierające diody prostujące, wzmacniacz, procesor, pamięć i in.), zamknięte
w hermetycznych, nierozbieralnych obudowach, bezprzewodowo komunikujące się
z otoczeniem, w szczególności bezprzewodowo pobierające energię z otoczenia.
Takie systemy wymagają opracowania wydajnych energetycznie miniaturowych
anten nadawczych i odbiorczych dostosowanych do potrzeb aplikacji. Pozyskiwana
energia elektryczna jest potrzebna głównie do zasilania systemów czujników,
obróbki i transmisji danych. Wymagania energetyczne są więc stosunkowo niewielkie, o ile pomiary są aktywowane jedynie sporadycznie, raz lub kilka razy na
dobę, system przez cały pozostały jest w stanie czuwania lub wyłączenia, a energia
z otoczenia jest zbierana i akumulowana przez całą dobę.
Wydaje się możliwe i energetycznie uzasadnione wykorzystanie do zasilania
elektronicznych czujników i towarzyszących im przyrządów elektronicznych energii pola elektromagnetycznego emitowanego do środowiska przez nadajniki/prze-
2
Sprawozdanie z działalności ITE w 2014 r.
kaźniki radiowe, telewizyjne i przekaźniki telefonii. Jest to energia rozpraszana
i tracona. W miastach raportowana średnia wartość natężenia emitowanego pola
ma wartość ok. 1 V/m.
Autonomiczne systemy czujnikowe mogą być wykorzystane w terenowych badaniach meteorologicznych parametrów środowiskowych (temperatura, wilgotność, natężenie światła, siła i kierunek wiatru itp.), w rolnictwie (kontrola na
wielkoobszarowych plantacjach), w obronie terytorialnej kraju (kontrola na granicach państwowych i wydzielonych obszarów). Schemat autonomicznego systemu
czujnikowego przedstawiono na rys. 1.
C1
A1
A2
C2
C3
A3
C4
AK
P
Rys. 1. Schemat autonomicznego systemu czujnikowego zawierającego anteny odbiorczą i nadawczą do
komunikacji bezprzewodowej (A1, A2), antenę do zamiany pola elektromagnetycznego na energię
elektryczną (A3), akumulator (AK), procesor (P) z pamięcią elektroniczną i zegarem sterujący czujnikami
(C1, C2, C3, C4) i zasilaniem
Naturalnym pierwszym wyborem do badań są anteny typu RFID drukowane na
elastycznych podłożach (foliach) polimerowych z użyciem drukarek atramentowych i tuszu zawierającego nanoproszki metali. Opcjonalnymi technologiami do
wykorzystania są sitodruk i fotolitografia odwzorowująca kształty anten w cienkich osadzanych warstwach metali. Z firmy Amepox i z Politechniki Warszawskiej
(WEiTI) uzyskano próbki wydruków z użyciem atramentów zawierających nanoproszek niklu: AX JP 6n – atrament na podłoża wytrzymujące temperaturę synteryzacji rzędu 220oC (kapton, ceramiki itp.) oraz AX JP 60n – atrament na podłoża
polimerowe wytrzymujące temperaturę synteryzacji rzędu 130oC. Parametry
dwóch rodzajów tuszów zestawiono w tab. 1.
Wykonano pomiary rezystywności anten i zbadano ich strukturę na mikroskopie
skaningowym. Trzy kolejne pomiary wykonano bez zmiany pozycji elektrod
igłowych. Stwierdzono niestabilność charakterystyk I-V, zapewne związaną z generacją ciepła Joule’a i oddziaływaniem ciepła na strukturę materiału (rys. 2).
Uznano, że potrzebna jest optymalizacja parametrów procesu wydruku i obróbki
termicznej – postprocessingu  ze względu na jakość warstwy naniesionego tuszu
(rys. 3).
Profesjonalny proces projektowania anten i analizy ich parametrów użytkowych
jest wspomagany metodami komputerowego wielowymiarowego modelowania
oraz symulacji metodą FEM, np. z wykorzystaniem oprogramowania ANSYS,
Zakład Badań Podzespołów, Urządzeń i Systemów
3
w tym pakietu HFSS – High Frequency Structure Simulator. Polska firma
softwarowa MESCO, oferująca podmiotom rynkowym wersję komercyjną tego
programu, przeprowadziła w 2014 r. szkolenie połączone ze specjalistycznymi
warsztatami wprowadzającymi zainteresowanych inżynierów w tę dziedzinę
projektowania. ITE może uzyskać pełen dostęp do tańszej, akademickiej wersji
oprogramowania ANSYS HFSS przez platformę Europractice.
Tabela 1. Parametry dwóch typów atramentów do drukarek,
przewodzących prąd i zawierających nanoproszek niklu
Atramenty przewodzące
dla technologii Ink-jet
Parametr
AX JP 6n
Konsystencja
Środowisko
Kolor
Koncentracja nAg
Lepkość
Brookfield LVDVII + CP,
100 rpm, 25oC
AX JP 60n
Bardzo niska lepkość cieczy
Niepolarne
Polarne
Ciemnobrązowy do
czarnego
Szary
40  60%
20%
3,6  18 mPas
5,5  10 mPas
Współczynnik tiksotropowości
~ 1,0
Napięcie powierzchniowe
28  32 mN/m
Ciężar właściwy
1,1  1,3 g/cm3
Rezystywność po synteryzacji
(4  6)106 cm*
(4  6)106 cm**
*230oC, 60 min., **150oC, 60 min.
Rys. 2. Charakterystyki I-V rezystora drukowanego
(widoczna niewielka nieliniowość i znaczna zmiana nachylenia charakterystyki między kolejnymi pomiarami)
Rys. 3. Mikrofotografia fragmentu rezystora
(widoczne linie skanowania głowicy drukarki
i nierówności warstwy atramentu)
4
Sprawozdanie z działalności ITE w 2014 r.
Poza atramentami zawierającymi nanoproszki różnych metali przyszłościowymi materiałami na anteny i warstwy ekranujące promieniowanie elektromagnetyczne są metamateriały i grafen. Zakupiono do badań próbki monoatomowych warstw grafenu osadzane
metodą CVD (Chemical Vapour
Deposition) na podłożu szklanym, niklowym i utlenionym krzemie – struktury
10 mm2  10 mm2 (rys. 4). Planuje się
zakup zawiesiny płatków grafenu w octanie n-butylu do wytwarzania ścieżek
na foliach metodą sitodruku, jednak jest
to substancja dostępna tylko w USA i nie
Rys. 4. Próbki grafenu CVD na warstwie 285 nm może być przewożona na pokładzie saSiO2 i podłożu Si o typie domieszkowania p
molotu.
Nanoanteny i optyczna “rectenna” (rectifying antenna, także graphenna) są ciekawą, przyszłościową koncepcją, alternatywą dla fotoogniw. W przypadku konwencjonalnych przyrządów fotowoltaicznych promieniowanie słoneczne jest absorbowane tylko wtedy, kiedy padający foton ma energię większą od bariery energetycznej
półprzewodnika (nie za dużą, bo nadmiarowa energia fotonu jest zamieniana w
ciepło). Z tego powodu znaczna część padającego promieniowania słonecznego nie
jest absorbowana przez konwencjonalne przyrządy fotowoltaiczne. Koncepcja rectenn
powstała w latach sześćdziesiątych XX w. z myślą o zdalnym zasilaniu urządzeń
latających przeznaczonych do inwigilacji lub dla platform ko- munikacyjnych.
Rectenna składa się z dwóch podstawowych elementów  anteny i diody
tunelowej MIM (metal-insulator-metal). Odpowiednio zaprojektowana matryca
miniaturowych anten powinna efektywnie absorbować całe widmo słoneczne
z prawie 100% wydajnością, co w dużej mierze zależy od zgrania częstotliwości
rezonansowej oraz impedancji z parametrami diody w celu minimalizacji strat
energii. Według teoretycznych oszacowań dla zakresu fal radiowych możliwa do
uzyskania wydajność energetyczna rectenn przekracza nawet 85%, czyli jest
dwukrotnie większa od wydajności fotoogniw. Nie ma jeszcze jednak materialnego
dowodu poprawności tej koncepcji demonstratora rectenny, głównie z powodu
problemów z dopasowaniem impedancji i nie dość wydajnym złączem prostującym. Prace trwają w wielu ośrodkach badawczych i akademickich. W 2002 r.
firma ITN Energy Systems, Inc. z Colorado, USA, raportowała o osiągnięciu
wydajności 50% przy ograniczeniu wydajności spowodowanym osiągnięciem
stanu nasycenia charakterystyk użytych diod. Również Georgia Institute of
Technology (USA) wspólnie z Universitat Politecnica de Catalunya-Barcelona
prowadzi intensywne prace w tym kierunku (rys. 5).
Zakład Badań Podzespołów, Urządzeń i Systemów
5
Rys. 5. Schemat koncepcji anteny grafenowej (graphenna) o grubości warstwy monoatomowej. Źródło:
projekt finansowany przez Samsung Global Outreach Program - obiekt badań zespołu z Georgia Institute
of Technology (lider Ian F. Akyildiz) i Universitat Politecnica de Catalunya-Barcelona Tech (liderzy
A. Cabellos i E. Alarcón)