SUKABUMIUPDATE.com - Para ilmuwan telah mengembangkan penyimpan energi sistem mikro-elektromekanis (MEMS) yang diisi oleh listrik off-chip. Penyimpanan energi berbasis getaran menyediakan daya abadi untuk komponen elektronik kecil seperti sensor kecil yang digunakan dalam sistem pemantauan. Jika potensi ini dapat direalisasikan, sumber energi eksternal seperti baterai tidak lagi diperlukan untuk memberi daya pada komponen ini.
Para ilmuwan percaya bahwa mereka telah mengambil langkah untuk mencapai komponen bertenaga sendiri dengan mengembangkan tipe baru penyimpan energi sistem mikro-elektromekanis (MEMS). Pendekatan mereka memungkinkan desain yang jauh lebih fleksibel daripada yang mungkin saat ini dan sangat penting jika sistem seperti itu akan digunakan untuk Internet of Things (IoT) dan jaringan sensor nirkabel.
Ada tiga cara dasar untuk mengubah getaran menjadi listrik dengan cara yang sesuai untuk memberi daya pada komponen miniatur: mekanisme elektromagnetik, elektrostatik, dan piezoelektrik. Para ilmuwan memilih menggunakan metode elektrostatik karena memberikan pilihan frekuensi yang lebih luas pada rentang frekuensi rendah, dan karena kerapatan daya keluaran relatif lebih besar.
Sebuah penyimpan energi elektrostatik MEMS menggunakan electret (setara listrik dari magnet permanen dengan muatan yang disimpan secara permanen) dan kapasitor variabel MEMS. Kapasitor menggunakan elektroda bergerak yang melekat pada pegas, yang bergerak dengan getaran sekitar.
Kapasitansi rangkaian electret adalah tetap, sedangkan kapasitor variabel berubah sesuai dengan peregangan pegas. Ketika jumlah muatan kapasitor variabel lebih besar dari muatan tetap, pergerakan muatan antara dua elektroda diinduksi dan kapasitor variabel memperoleh muatan.
Demikian juga, ketika jumlah muatan dalam kapasitor tetap pada electret lebih besar, ada pergerakan muatan ke arah yang berlawanan dan elektrodanya mendapatkan muatan. Pergerakan muatan inilah yang dapat menghasilkan listrik, menurut prinsip elektrostatika.
“Hingga saat ini, desain penyimpan energi elektrostatik MEMS sangat terkendala,” kata Aryo De Wibowo, peneliti sekaligus Kaprodi Teknik Elektro Universitas Nusa Putra.
Alasannya, ia menjelaskan, adalah penyimpan elektrostatik konvensional menempatkan electret bersama-sama dengan kapasitor variabel di unit MEMS. “Jadi sulit untuk mengoptimalkan desain setiap elemen perangkat dan menggunakan bahan terbaik untuknya karena electret terintegrasi ke dalam struktur MEMS,” kata Aryo.
Jawaban untuk kesulitan ini adalah memisahkan electret dari struktur MEMS dengan membuat dua chip terpisah. Namun, ini membutuhkan desain ulang electret yang lengkap. Saat ditempatkan di unit MEMS, salah satu sisinya terpasang ke elektroda tetap, sementara sisi lainnya terbuka ke udara untuk memungkinkan kapasitansi terjadi.
Dalam chip yang baru dibuat, tidak ada celah udara. Jadi para ilmuwan membuat elektroda tambahan dan lapisan dielektrik untuk mengapit electret di antara dua elektroda.
Sementara konsep tersebut telah terbukti berhasil, sejumlah tantangan tetap ada. Misalnya, kapasitansi parasit perlu diperkirakan dengan benar dan selanjutnya dikurangi. Hal ini dapat dicapai dengan menciptakan keseimbangan kapasitansi antara kapasitor variabel dan electret yang merupakan langkah kunci dalam memastikan keberhasilan teknologi. Jadi peneliti sedang mengembangkan lingkungan simulasi untuk membantu dalam tugas ini.
Peneliti juga perlu mengurangi ukuran unit MEMS dan electret, dan perlu meningkatkan efisiensi penyimpanan energi dengan mengoptimalkan desain penyimpan dan bahan yang digunakan.
"Kami pikir teknik ikatan konvensional akan membantu meminimalkan ukuran total dan juga membantu meningkatkan kinerja penyimpanan," tambah Aryo. Dia memperkirakan perbaikan ini akan berlangsung selama beberapa tahun ke depan, sehingga komersialisasi masih beberapa waktu lagi.
Ketika penyimpan energi MEMS siap untuk penggunaan praktis, peneliti berharap itu akan cocok untuk sensor daya di IoT dan jaringan nirkabel. Ini termasuk sensor inersia, sensor tekanan, dan sensor suhu dan kelembaban. Perangkat bertenaga sendiri tersebut dapat memantau lingkungan dan mengirim informasi ke berbagai sistem seperti yang memantau pola lalu lintas, atau bencana alam.
