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: jmlysko@ite.waw.pl Działalność statutowa 1. Działalność badawczo-rozwojowa w 2014 r. 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. A1 A2 C1 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 220 o C (kapton, ceramiki itp.) oraz AX JP 60n atrament na podłoża polimerowe wytrzymujące temperaturę synteryzacji rzędu 130 o C. 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. Konsystencja Tabela 1. Parametry dwóch typów atramentów do drukarek, przewodzących prąd i zawierających nanoproszek niklu Parametr AX JP 6n Atramenty przewodzące dla technologii Ink-jet Bardzo niska lepkość cieczy AX JP 60n Środowisko Niepolarne Polarne Kolor Ciemnobrązowy do czarnego Szary Koncentracja nag 40 60% 20% Lepkość Brookfield LVDVII + CP, 100 rpm, 25 o C 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/cm 3 Rezystywność po synteryzacji (4 6) 10 6 cm* (4 6) 10 6 cm** *230 o C, 60 min., **150 o C, 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 mm 2 10 mm 2 (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 może być przewożona na pokładzie samolotu. Nanoanteny i optyczna rectenna (rectifying antenna, także graphenna) są cie- Rys. 4. Próbki grafenu CVD na warstwie 285 nm SiO 2 i podłożu Si o typie domieszkowania p kawą, 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)