Postępująca miniaturyzacja w konstrukcji czujników, elementów wykonawczych oraz innych elementów mikroukładów i mikrosystemów prowadzi do zmniejszenia zapotrzebowania tych urządzeń na energię elektryczną. Dzięki temu możliwe staje się ich zasilanie energią odzyskaną z otoczenia. Rodzi to potrzebę opracowania nowych, zminiaturyzowanych źródeł zasilania, odbiegających od rozwiązań konwencjonalnych. Powszechnie używane źródła energii elektrycznej, jakimi są ogniwa galwaniczne (baterie i akumulatory), zawierają skończone zasoby energii, mają ograniczoną żywotność i zawierają substancje chemiczne, które mogą zagrażać środowisku. Ponadto charakteryzują się znacznymi rozmiarami w stosunku do mikroukładów i mikrosystemów. Dlatego też są one zastępowane przez autonomiczne, miniaturowe systemy zasilania, umożliwiające pozyskiwanie energii elektrycznej z otoczenia. Dzięki temu urządzenia stają się bezobsługowe, co wpływa korzystnie na środowisko w związku z redukcją ilości odpadów chemicznych z baterii.

Przedmiotem moich badań są mikrogeneratory realizowane w technologii grubowarstwowej, technologii mieszanej (cienko- i grubowarstwowej) oraz niskotemperaturowej ceramiki współwypalanej – LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics), oparte na zjawisku indukcji elektromagnetycznej lub efekcie termoelektrycznym.

Mikrogeneratory termoelektryczne

Struktury mikrogeneratorów termoelektrycznych składają się z zestawu szesnastu termopar. Do ich budowy zastosowano dwa różne metale. Jedne ramiona wykonano z konstantanu (stopu miedzi i niklu) stosując do tego celu rozpylanie magnetronowe. Natomiast drugie wykonano techniką sitodruku ze srebra.

Rys. 1. Struktury warstwowych mikrogeneratorów termoelektrycznych na podłożach LTCC (na górze) oraz Al2O3 (na dole).

Rys. 2. Stanowisko do pomiaru właściwości elektrycznych i termoelektrycznych

Mikrogeneratory elektromagnetyczne

Mikrogeneratory elektromagnetyczne składają się z obrotowej tarczy z magnesami oraz struktury cewek planarnych wykonanych w technologii grubowarstwowej i LTCC.

Rys. 3. Struktury cewek zrealizowanych w technologii grubowarstwowej i LTCC.

Rys. 4. Zdjęcie struktury cewek wykonane aparatem RTG.

Rys. 5. Struktury cewek ze zintegrowanymi układami prostowniczymi.

Rys. 6. Porównanie wizualne układów prostujących przy zadanej prędkości obrotowej.

Rys. 7. Ciecz ferromagnetyczna obrazująca rozkład pola magnetycznego wytworzonego przez tarcze z magnesami w przykładowych konfiguracjach.

Rys. 8. System w konfiguracji do pomiarów elektrycznych mikrogeneratorów elektromagnetycznych

1. M. Gierczak, P. Markowski, A. Dziedzic, The modeling of magnetic fields in electromagnetic microgenerators using the finite element method, Energies, 2022, vol. 15, nr 3, art. 1014, s. 1-12.
2. M. Gierczak, J. Wróblewski, A. Dziedzic, The design and fabrication of electromagnetic microgenerator with integrated rectifying circuits, Microelectronics International, 2017, vol. 34, nr 3, s. 131-139.
3. M. Gierczak, P. Walasek, P. Markowski, Characterization of LTCC-based electromagnetic microgenerators, Elektronika (Warszawa), 2015, R. 56, nr 3, s. 31-33.
4. M. Gierczak, E. Prociów, A. Dziedzic, Fabrication and characterization of mixed thin-/thick-film thermoelectric microgenerator based on constantan/chromium and silver arms, Microelectronics International, 2020, vol. 37, nr 2, s. 109-114.
5. M. Gierczak, J. Prażmowska-Czajka, A. Dziedzic, Thermoelectric mixed thick-/thin film microgenerators based on constantan/silver, Materials, 2018, vol. 11, nr 1, art. 115, s. 1-9.
6. M. Gierczak, K. Stojek, A. Dziedzic, Temperature distribution on a quad-core microprocessor and quad-core microprocessor/heat sink structure, Przegląd Elektrotechniczny, 2017, R. 93, nr 2, s. 210-213.
7. M. Gierczak, S. Dziewięcki, P. Markowski, The automatic system for the characterization of thermoelectric microgenerators, Elektronika (Warszawa), 2015, R. 56, nr 3, s. 34-37.