Niezawodne czujniki rozciągające bez zużycia energii

Zespół mechIC opracował czujniki rozciągnięcia, które nie zużywają energii elektrycznej. Produkcja odbywa się w czystym pomieszczeniu. © RUB, Marquard

Ponieważ struktury czujników są malutkie, każde ziarenko kurzu by je zakłóciło. Dlatego produkcja odbywa się w czystym pomieszczeniu. Zespół nosi odzież ochronną, aby uniknąć zanieczyszczeń włosami i łupieżem. © Andreas Soika

Za pomocą metod z produkcji mikroczipów zespół mechIC wytwarza czujniki na silikonowych dyskach, zwanych waflami. © RUB, Marquard

Szczegółowy zapis czujnika mechIC, który działa wyłącznie mechanicznie. © Harald Austenfeld

Zespół mechIC od lewej do prawej: Philip Schmitt, Steffen Wittemeier, Lisa Schmitt i Henning Mays. © RUB, Marquard

Za swój pomysł na założenie zespół z Bochum otrzymuje dofinansowanie w ramach programu EXIST o wartości 1,34 miliona euro. Ich technologia może nadejść właśnie na czas, aby rozwiązać nadchodzący globalny problem.

Aby monitorować bezpieczeństwo mostów, dźwigów, rurociągów, turbin wiatrowych i wielu innych obiektów, potrzebne są czujniki rozciągnięcia. Naukowcy z Bochum i Paderborn opracowali zupełnie nową technologię w tym zakresie. W przeciwieństwie do tradycyjnych systemów, nie zużywa ona energii i jest niemal odporna na zmiany temperatury. Aby uczynić czujniki gotowymi do komercyjnego zastosowania, dr Philip Schmitt, dr Lisa Schmitt i Henning Mays z Katedry Mikrosystemów na Uniwersytecie Ruhr w Bochum wspólnie z Steffenem Wittemeierem, niegdyś związanym z Uniwersytetem Paderborn, przygotowują założenie startupu „mechIC”, które planowane jest na 2025 rok. Federalne Ministerstwo Gospodarki i Klimatu wspiera ich w ramach programu transferu badań EXIST kwotą 1,37 miliona euro.

Projekt EXIST jest realizowany na Katedrze Mikrosystemów w Bochum, którą kieruje prof. dr Martin Hoffmann. Dofinansowanie rozpoczęło się 1 kwietnia 2024 roku. Zespół wspierają także Centrum Startupów WORLDFACTORY na Uniwersytecie Ruhr w Bochum oraz inkubator Materials.

„Według prognoz, w 2040 roku będzie potrzebne więcej energii elektrycznej do monitorowania elementów, niż będzie w stanie wyprodukować cały świat” – podkreśla Lisa Schmitt, podkreślając znaczenie nowych czujników. „Aby zapewnić szerokie monitorowanie, konieczna jest zmiana trendów.”

System działa wyłącznie mechanicznie

W przeciwieństwie do tradycyjnych czujników rozciągnięcia, które działają elektrycznie, system mechIC – krótko dla mechanical Integrated Circuits – działa mechanicznie. Serce czujników stanowi krzemowy układ scalony, który może wykrywać rozciągnięcia w nanometrowym zakresie. Gdy badany element się rozciąga, struktura oparta na zębach zatrzaskowych w układzie przesuwa się względem ramki. Im silniejsze rozciągnięcie, tym dalej w dół w ramce zatrzaskuje się ruchomy element. „W ten sposób możemy mechanicznie przechowywać zmierzone amplitudy rozciągnięcia” – wyjaśnia Philip Schmitt.

Zasada działania została opracowana przez zespół w ramach projektu „Badania nad nową mikroelektroniką: Niekonwencjonalna pasywna technologia radiowa do autonomicznego monitorowania drgań i wibracji”, krótko UpFuse, który był finansowany przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań na Uniwersytecie Ruhr w Bochum oraz Uniwersytecie Paderborn.

Dane można odczytywać za pomocą smartfona

Za pomocą czujnika mechIC można ciągłe monitorować elementy w czasie rzeczywistym. Czujniki mogą być skonfigurowane tak, aby alarmowały po przekroczeniu określonego progu, lub mogą być odczytywane na żądanie. W tym celu mikromechaniczny przetwornik analogowo-cyfrowy zamienia mechaniczne rozciągnięcie na sygnał elektryczny. Energia do pomiaru i przetwarzania danych jest dostarczana przez samo rozciągnięcie i nie wymaga zewnętrznego zasilania. System nie potrzebuje więc baterii. Dane można odczytać najprościej za pomocą aplikacji na smartfona, zaprojektowanej tak, aby użytkownicy mogli łatwo dostosować ją do własnych potrzeb.

Czujniki mają około pięciu na pięć milimetrów i mogą być używane w różnych zastosowaniach. Produkowane są za pomocą sprawdzonych metod przemysłu półprzewodnikowego. Zespół założycielski planuje rozpocząć seryjną produkcję w 2026 roku.