Dra. Margarita Tecpoyotl Torres / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas (CIICAp) - UAEM
Archivo: Electrónica
A lo largo de mi trabajo de investigación desarrollado en el Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas (CIICAp), en el año 2006, surgió el interés en el aprovechamiento de la energía solar durante el desarrollo de una tesis de maestría codirigida con el M. en C. J. Campos-Álvarez, investigador del Centro de Investigación en Ingeniería Eléctrica (CIE) - UAEM, en la cual se desarrolló el diseño y la automatización de un concentrador solar. Posteriormente, continué interesada en el conocimiento de las ventajas de esta energía limpia, pero sobretodo, en el funcionamiento del motor de Stirling, el cual mediante una diferencia de temperatura produce energía mecánica que con la utilización de un alternador es transformada en energía eléctrica, y que junto con un concentrador solar permite obtener arreglos autónomos a escala macrométrica, lo que hace posible que algunas poblaciones rurales accedan a la energía eléctrica. A partir de esto, surgió la idea de aprovechar la energía existente en sistemas electrónicos, vislumbrando el gran potencial de los dispositivos micrométricos que pudieran operar también de manera autónoma.
Sin duda alguna, el motor de Stirling es complejo, incluso a nivel macrométrico, por lo que desarrollar un prototipo de este motor a nivel micrométrico dadas las limitaciones en las tecnologías de micromaquinado actuales es poco factible, se decidió entonces, probar que algunos microdispositivos hasta cierto punto sencillos, pero no por ello limitados en aplicaciones, pueden operar de manera autónoma mediante la energía existente en el medio circundante, mediante un uso eficiente de la energía disponible, sin baterías, solamente aprovechando al calor existente. Cabe señalar, que diversas fuentes de calor se encuentran disponibles en muchos de los ambientes, como por ejemplo en la industria automotriz y aeroespacial, por mencionar algunas.
¿Cómo lograrlo? Los sistemas Micro-Electro-Mecánicos conocidos como “MEMS” por sus siglas en inglés, son dispositivos microscópicos en forma de actuadores o sensores que pueden ser acoplados fácilmente con un circuito electrónico y formar un microsistema completo. Ejemplo de ellos son los acelerómetros que detectan cuándo debe abrirse la bolsa de aire de un automóvil, los cuales se basan en un micromecanismo o MEMS acoplado a un circuito integrado, y que se encuentran en millones de unidades en automóviles de todo el mundo, con una confiabilidad notable.
Nuestro interés se enfoca hacia los actuadores térmicos, los cuales basan su operación en el calor producido por el efecto de Joule al aplicar una corriente eléctrica, lo que hace posibles la expansión térmica y la posibilidad de producir movimiento al estar presente una diferencia de temperatura. Lo innovador de la idea es no utilizar energía eléctrica, sino aprovechar directamente los gradientes de temperatura presentes en el medio y mediante ellos producir expansión térmica. Sin embargo, para garantizar su funcionalidad no basta con la simulación de los prototipos, sino que es necesaria su fabricación y efectuar las pruebas que validen su funcionamiento de acuerdo a lo esperado. Este fue un reto, ya que la fabricación de microdispositivos es costosa, y el riesgo tecnológico era muy alto. Afortunadamente, contamos con el apoyo del Dr. Anas A. Hamoui de la Universidad de McGill, Canadá, quien confió en la funcionalidad de la propuesta.
La entusiasta participación de estudiantes de maestría (M. en I y CA Eduardo Murphy Pérez) y doctorado (M. en C. Jorge Varona Salazar), permitió el desarrollo de diversos microdispositivos, entre ellos membranas térmicas. A lo largo de la tesis del M. en C. Varona, se diseñaron varios tipos de microactuadores térmicos basados en las topologías de “chevron” y de “brazo vertical”, los cuales pueden generar movimiento horizontal y vertical respectivamente. Los prototipos fueron fabricados en silicio policristalino usando un proceso de micromaquinado de superficie ofrecido por el sistema de MEMS-Multiusuario (MUMPS). En las figuras 1 y 2, se presentan imágenes del chevron y del desplazamiento logrado al aplicar solamente calor. Cabe mencionar que al inicio de los trabajos realizados, un movimiento de una micra era lo mínimo esperado.
Figura 1. Actuadores chevron, imagen tomada con microscopio de barrido electrónico (SEM).
Figura 2. Desplazamiento como función de la temperatura.
Los resultados demuestran que la operación de microactuadores térmicos accionados por una fuente de calor externa es factible. Entre las posibles aplicaciones a esta estructura se encuentra la de switch térmico.
En conclusión, la posibilidad de contar con micromecanismos y sistemas que puedan operar directamente con energía térmica ofrece enormes ventajas en materia de ahorro de energía, lográndose productos más pequeños, más ligeros, y de menor costo al eliminar el uso de baterías, que actualmente ocupan una gran porción del volumen disponible, contribuyendo de manera significativa al peso y costo totales.
Margarita Tecpoyotl Torres obtuvo los grados de licenciada en matemáticas con opción en educación y licenciado en ciencias de la electrónica en la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP). La maestría y el doctorado en ciencias en la especialidad de Electrónica, los obtuvo en el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE). La Dra. Tecpoyotl trabaja en el Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas (CIICAp), de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM), coordinando al área de Tecnología Eléctrica. Sus campos de interés son el diseño de dispositivos MEM y de microondas, así como el desarrollo de programas educativos.