SENSORES AUTÔNOMOS – DOS PADRÕES ÀS SOLUÇÕES AVANÇADAS

SENSORES AUTÔNOMOS – DOS PADRÕES ÀS SOLUÇÕES AVANÇADAS

Pedro Henrique Schneider,

Mestres: Antonio Carlos da Cunha Migliano

Área de Ciências Exatas e Tecnologia – Universidade Braz Cubas – Mogi das Cruzes, SP.

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RESUMO

O sensoriamento remoto já é uma realidade em diversas aplicações do cotidiano, porém a necessidade cada vez maior da miniaturização e gerenciamento de energia tem levado a comunidade científica a pesquisar novos sensores baseados em dispositivos utilizando a tecnologia MEMS. Dentre as aplicações emergentes desta tecnologia ressalta o sensoriamento remoto avançado e os coletores de energia. Foram abordadas neste artigo algumas características de componentes termoelétricos utilizados como coletores de energia fabricados sobre compostos de Bi2Te3 “Telureto de bismuto” e dispositivos baseados no efeito Seebeck, que formam os termopares. Foi também discutido um dispositivo de sensoriamento de temperatura. No primeiro experimento realizou-se o acompanhamento de um sensor, composto pelas ligas de telureto de bismuto e telureto de antimônio, ao ser exposto a uma radiação térmica proveniente de um disco negro quente, no qual foi aplicado um gradiente de temperatura de 25ºC a 300ºC, e comparado o resultado obtido aos valores teóricos esperados. No segundo experimento um gerador termoelétrico é desenvolvido a partir de ligas de telureto de bismuto em formatos de terminais entre camadas de silício em formato de wafer, expostas a um diferencial de temperatura em suas faces. Os compostos baseados em Telureto de Bismuto Bi2Te3 mostraram-se promissores no desenvolvimento e fabricação de coletores térmicos sendo também utilizados em sensoriamento autônomo, quando aplicados próximos à temperatura ambiente.

Palavras-chave: Sensores autônomos, coletores de energia, Telureto de bismuto

ABSTRACT

The remote sensing is already a reality in many everyday applications; however the ever increasing need of miniaturization and management of energy has led the scientific community to research for new sensors based in devices using the MEMS technology. Among the emerging applications of this technology is emphasized the advanced remote sensoring and the power collectors. Have been addressed in this article some characteristics of thermoelectric components used as power collectors produced under composites of Bi2Te3 “Bismuth Thelluride” and devices based on the Seebeck effect, which form the Thermocouples. It was also discussed a temperature sensing device. In the first experiment was carried out the monitoring of a sensor, composed by the bismuth thelluride alloys and the antimony thelluride, when exposed to a thermal radiation originated from a hot black disc, which was applied in a gradient of temperature of 25 ° to 300 ° C, and compared the result to the expected theoretical values. In the second experiment a thermoelectric generator is developed from bismuth thelloride alloys in the shape of formats of endpoints between layers of silicon in wafer form, exposed to a temperature differential within its faces. The composites based on bismuth telluride Bi2Te3 shows themselves promising in the development and manufacturing of thermical collectors also used in autonomous sensing, when applied close to room temperature.

Keywords: autonomous sensors, energy harvesters, bismuth telluride

INTRODUÇÃO

Sensores autônomos são dispositivos capazes de realizar sua tarefa sem a necessidade de estarem conectados por fios à unidade de interpretação das informações e a uma alimentação externa [1]. Possui em sua arquitetura um sistema de transmissão de dados sem fio e uma fonte interna que pode ser uma bateria ou um coletor que transforma uma determinada forma de energia presente no ambiente em eletricidade a fim de garantir seu funcionamento conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1 – Diagrama básico de um sensor autônomo [2]

Exemplos de aplicação de sensores autônomos são:

(i) Redes sem fio com baixo custo de instalação, de fácil manutenção e que possuem sensores com longa vida útil. São aplicáveis onde as conexões via cabo são inviáveis ou não são permitidas devido a restrições mecânicas;

(ii) Sistemas de medição em ambientes severos, caracterizados por alta temperatura ou atmosfera corrosiva onde a presença humana não é possível;

(iii) Dispositivos autônomos utilizados em automóveis capazes de fornecer as informações do status do carro ao computador de bordo através de sistemas de redes sem fio.

Uma das mais importantes tendências relativas à tecnologia eletrônica tem sido a redução no tamanho e o aumento da funcionalidade [4]. Todas as unidades baseadas na tecnologia microeletrônica de hoje necessitam uma fonte de alimentação externa. Entretanto o avanço das unidades baseadas em baixa potencia abriram a possibilidade de coletar energia do ambiente para alimentar os circuitos eletrônicos e dispositivos conhecidos como MEMS (MicroEletroMechanical Systems – Sistemas Micro Eletro Mecânicos), que possuem uma ampla gama de aplicações na área de sensoriamento autônomo.

Neste artigo serão apresentadas algumas informações a respeito destes dispositivos autônomos como características e aplicabilidades, com foco em dois exemplos: um dispositivo de sensoriamento térmico e um sistema de coleta de energia térmica baseados no efeito Seebeck e Peltier.

COLETORES DE ENERGIA

Um dispositivo coletor de energia gera energia elétrica a partir de seu ambiente usando algum método do que é chamado na literatura como Técnica de Conversão Direta da Energia [3].

Dentre os princípios físicos envolvidos os principais estão baseados em:

(i) O efeito eletrostático que utiliza três formas de carregar estaticamente um corpo.

(ii) Efeito piezoelétrico que consiste na capacidade de alguns cristais gerarem corrente elétrica por resposta a uma pressão mecânica.

(iii) Efeito fotovoltaico que utiliza a conversão direta da energia solar em energia elétrica e;

(iv) O termoelétrico