Giải pháp cấp điện cho các thiết bị điện tử và cảm biến không cần pin

Các công nghệ không dây phổ biến như Wi-Fi, Bluetooth và 5G dựa vào tín hiệu tần số vô tuyến (RF) để gửi và nhận dữ liệu. Mô hình mô-đun thu năng lượng mới do một đội nhóm phát triển được dẫn dắt chính bởi các nhà khoa học từ Đại học Quốc gia Singapore (NUS) - hiện có thể chuyển đổi tín hiệu RF xung quanh hoặc tín hiệu RF không có ích thành điện áp một chiều (DC). Sản phẩm này có thể được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử nhỏ mà không cần sử dụng pin.

Các công nghệ thu năng lượng RF rất cần thiết vì chúng làm giảm sự phụ thuộc vào pin, kéo dài tuổi thọ thiết bị, giảm thiểu tác động đến môi trường và tăng cường tính khả thi của mạng cảm biến không dây và thiết bị IoT ở vùng sâu vùng xa, nơi việc thay pin thường xuyên là không khả thi.

Tuy nhiên, các công nghệ thu năng lượng RF phải đối mặt với những thách thức do công suất tín hiệu RF xung quanh thấp (thường dưới -20 dBm), trong đó công nghệ chỉnh lưu dòng điện không hoạt động hoặc có hiệu suất chuyển đổi RF sang DC thấp. Mặc dù việc cải thiện hiệu suất ăng-ten và khả năng phối hợp trở kháng có thể nâng cao hiệu suất nhưng điều này cũng làm tăng kích thước trên chip, gây ra trở ngại cho việc tích hợp và thu nhỏ.

Để giải quyết những thách thức này, một nhóm các nhà nghiên cứu của NUS, hợp tác với các nhà khoa học từ Đại học Tohoku (TU) tại Nhật Bản và Đại học Messina (UNIME) tại Ý đã phát triển một công nghệ chỉnh lưu tích hợp có độ nhạy cao, sử dụng bộ chỉnh lưu quay (Spin Rectifier - SR) kích thước nano để chuyển đổi tín hiệu tần số vô tuyến không dây xung quanh ở mức công suất nhỏ hơn -20 dBm thành điện áp DC.

Nhóm đã tối ưu hóa các thiết bị SR và thiết kế hai cấu hình: 1) một rectenna dựa trên SR hoạt động trong khoảng từ -62 dBm đến -20 dBm và 2) một mảng gồm 10 SR nối tiếp đạt hiệu suất 7,8% và độ nhạy không phân cực khoảng 34.500 mV/mW. Tích hợp mảng SR vào mô-đun thu năng lượng, các nhà nghiên cứu đã cấp nguồn thành công cho một cảm biến nhiệt độ có sẵn trên thị trường ở mức -27 dBm.

“Thu thập tín hiệu RF xung quanh là rất quan trọng để cải tiến các cảm biến và thiết bị điện tử tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, các mô-đun thu năng lượng hiện tại đang phải đối mặt với những thách thức khi hoạt động ở mức công suất tín hiệu xung quanh thấp do những hạn chế trong công nghệ chỉnh lưu hiện có”, giáo sư Yang Hyunsoo từ khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính, đại học quốc gia Singapore (NUS), người lĩnh xướng dự án giải thích.

Giáo sư Yang chia sẻ thêm: “Ví dụ, công nghệ diode Schottky gigahertz đã bị bão hòa và không thể phát triển thêm được trong nhiều thập kỷ do những hạn chế về nhiệt động lực học ở mức công suất thấp, trong khi đó những nỗ lực nghiên cứu cải tiến gần đây chỉ tập trung vào việc cải thiện hiệu suất ăng-ten và mạng phối hợp trở kháng, dẫn đến việc chiếm diện tích trên chip lớn hơn. Trái ngược với những công nghệ nêu trên, bộ chỉnh lưu quay kích thước nano cung cấp công nghệ tích hợp có kích thước nhỏ gọn để chuyển đổi RF sang DC với độ nhạy và hiệu quả cao”.

Giải thích thêm về công nghệ đột phá của nhóm, Giáo sư Yang cho biết, “Chúng tôi đã tối ưu hóa bộ chỉnh lưu quay (SR) để hoạt động ở điều kiện công suất RF thấp có sẵn trong môi trường xung quanh và tích hợp một loạt các bộ chỉnh lưu quay như vậy vào mô-đun thu năng lượng để cấp nguồn cho đèn LED và cảm biến ở mức công suất RF dưới -20 dBm. Kết quả của chúng tôi chứng minh rằng công nghệ SR dễ tích hợp và có thể mở rộng quy mô ứng dụng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các mảng SR quy mô lớn cho nhiều ứng dụng RF công suất thấp và truyền thông khác nhau.”

Kết quả đã được công bố trên tạp chí uy tín Nature Electronics vào ngày 24 tháng 7 năm 2024.

Công nghệ dựa trên bộ chỉnh lưu quay cho hoạt động ở mức công suất thấp

Các bộ chỉnh lưu tiên tiến (diode Schottky, diode tunnel và MoS2 hai chiều) đã đạt hiệu suất 40–70% với Prf ≥ -10 dBm. Tuy nhiên, công suất tín hiệu RF xung quanh có sẵn từ các nguồn RF như bộ định tuyến Wi-Fi nhỏ hơn -20 dBm. Việc phát triển các bộ chỉnh lưu hiệu suất cao cho chế độ công suất thấp (Prf < -20 dBm) không hề dễ dàng do các ràng buộc về nhiệt động lực học và các hiệu ứng ký sinh tần số cao. Ngoài ra, các bộ chỉnh lưu trên chip yêu cầu một ăng-ten ngoài và mạch phối hợp trở kháng, cản trở việc mở rộng quy mô trên chip. Do đó, việc thiết kế một bộ chỉnh lưu cho mô-đun thu năng lượng (EHM) nhạy cảm với công suất RF xung quanh với thiết kế trên chip nhỏ gọn vẫn là một thách thức đáng kể.

Các bộ chỉnh lưu quay kích thước nano có thể chuyển đổi tín hiệu RF thành điện áp DC bằng cách sử dụng hiệu ứng diode spin. Mặc dù công nghệ dựa trên SR đã vượt qua độ nhạy của diode Schottky, nhưng hiệu suất công suất thấp vẫn còn thấp (< 1%). Để khắc phục những trở ngại về công suất thấp, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu các đặc tính của SR, bao gồm tính dị hướng vuông góc, hình dạng thiết bị và trường lưỡng cực của lớp phân cực, cũng như phản ứng động mà phụ thuộc vào từ điện trở xuyên hầm và tính dị hướng từ trường điều khiển bằng điện áp (VCMA). Kết hợp các thông số được tối ưu hóa này với ăng-ten ngoài được phối hợp trở kháng với một SR, các nhà nghiên cứu đã thiết kế ra SR-rectenna công suất thấp.

Để cải thiện đầu ra và có khả năng hoạt động trên chip, các SR được ghép nối trong một mảng sao cho các ống dẫn sóng đồng phẳng nhỏ trên các SR được sử dụng để tích hợp công suất RF, tạo ra diện tích trên chip nhỏ gọn và hiệu suất cao. Một trong những phát hiện quan trọng là hiệu ứng tự tham số (self-parametric) gây ra bởi VCMA trong các bộ chỉnh lưu quay dựa trên tiếp giáp xuyên hầm từ tính góp phần đáng kể vào hoạt động công suất thấp của các mảng SR, đồng thời cũng gia tăng giá trị băng thông và điện áp chỉnh lưu của chúng. So sánh chi tiết với công nghệ diode Schottky trong cùng điều kiện môi trường và từ đánh giá tài liệu trước đây, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng công nghệ SR có thể là công nghệ chỉnh lưu nhỏ gọn, hiệu quả và có độ nhạy tốt nhất.

Bàn luận về tầm quan trọng của kết quả nghiên cứu, Tiến sĩ Raghav Sharma, tác giả chính của bài báo, chia sẻ: “Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về bộ chỉnh lưu và mô-đun thu năng lượng, nhưng những hạn chế cơ bản trong công nghệ chỉnh lưu vẫn chưa được giải quyết đối với việc vận hành công suất tín hiệu RF xung quanh thấp. Công nghệ chỉnh lưu quay cung cấp một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn, vượt qua hiệu suất và độ nhạy của diode Schottky hiện tại ở chế độ công suất thấp. Sự phát triển này đánh giá chuẩn mực các công nghệ chỉnh lưu RF ở công suất thấp, mở đường cho việc thiết kế các bộ thu năng lượng RF xung quanh thế hệ tiếp theo và các cảm biến dựa trên bộ chỉnh lưu quay”.

Các bước nghiên cứu tiếp theo

Nhóm nghiên cứu của NUS hiện đang khám phá việc tích hợp ăng-ten trên chip để cải thiện hiệu suất và tính tích hợp với kích thước nhỏ gọn của các công nghệ SR. Nhóm cũng đang phát triển các kết nối song song – nối tiếp để điều chỉnh trở kháng trong các mảng SR lớn, sử dụng các kết nối liên kết trên chip để kết nối từng SR. Phương pháp này nhằm mục đích tăng cường khả năng thu năng lượng RF, có khả năng tạo ra điện áp chỉnh lưu đáng kể với giá trị vài vôn, do đó loại bỏ nhu cầu về bộ tăng cường DC to DC.

Các nhà nghiên cứu cũng hướng đến mục tiêu hợp tác với các đối tác trong công nghiệp và giới học thuật để phát triển các hệ thống thông minh tự duy trì hoạt động dựa trên bộ chỉnh lưu SR trên chip. Nghiên cứu này có thể là tiền đề phát triển cho các công nghệ nhỏ tích hợp trên chip nhỏ gọn dành cho hệ thống phát hiện tín hiệu và sạc không dây.

Khang Le (Theo NUSNEWS)