Estrategias: WPT Ultrasonica

 —Los transductores de ultrasonido paramétricos capacitivos (CPUT) aprovechan pasivamente la energía de las señales de ultrasonido sin la necesidad de una polarización de CC, lo que los hace especialmente útiles en aplicaciones de transferencia de energía inalámbrica  [1] 

se implementa y utiliza un modelo CPUT que utiliza el método del elemento límite (BEM) para modelar conjuntos de membranas para estudiar los efectos del comportamiento multimodo en la transferencia de energía. Los resultados indican que las CPUT con geometrías de membrana micromecanizadas prácticas pueden proporcionar niveles de eficiencia adecuados para la transferencia remota de energía [1]

El modelo agrupado 1D mencionado. Los transductores ultrasónicos paramétricos capacitivos (CPUT) en particular son dispositivos que consisten en una matriz de membranas de transductores ultrasónicos micromaquinados capacitivos (CMUT) que actúa como un capacitor variable en un circuito resonante en serie [2]

se utilizó un modelo unidimensional (1D) para estudiar los efectos de los parámetros de diseño de la CPUT sobre las eficiencias de transferencia de energía en agua y aire [3][4]

o. Un modelo de señal grande [4] utiliza el método del elemento límite (BEM) para calcular las fuerzas y los desplazamientos de cada membrana individual en una matriz. Además, cada membrana se puede subdividir en dos o más parches agrupados dependiendo de las formas del modo de membrana. Este modelo tiene en cuenta el forzamiento electrostático no lineal de cada membrana, así como la diafonía acústica entre las membranas del conjunto.  

La presión transmitida desde una matriz de 16x16 utilizando el modelo BEM se ha verificado experimentalmente dentro de 2 dB hasta 40 MHz de funcionamiento, como se realizó en [5].

Se debe alcanzar un cierto umbral de forzamiento para que se produzca resonancia paramétrica. También se requiere un pequeño estímulo eléctrico inicial, que en un entorno práctico puede provenir del ruido de fondo [2]

Diagrama de bloques de Simulink de CPUT con modelo de matriz BEM. Las entradas son la intensidad del forzado ultrasónico y, opcionalmente, una polarización de CC. La salida de interés es la potencia a través de la carga Rs. [1]

Para validar el modelo BEM CPUT, se realizó un experimento de transferencia de energía utilizando una matriz de 36 x 10 de 70 x 70 µm. membranas para obtener datos de eficiencia versus resistencia de carga a una frecuencia de forzado de 2,4 MHz. [1]

. La potencia a través del potenciómetro se midió usando un osciloscopio  [1]

GEOMETRÍAS DE MEMBRANA  [1]

Entre el diseño de baja y alta frecuencia, la eficiencia de transferencia de energía puede alcanzar hasta el 25% [1]

Observando la CPUT de baja frecuencia, con una intensidad de entrada de 75 W/m2, 66,6 µW y 0,45 V CC, se aprovecha una carga de 3000 Ω con una eficiencia del 21,3 % a 300 kHz. En las mismas condiciones de entrada, el funcionamiento a 475 kHz sólo proporciona 8,2 µW (0,07 V CC) en una carga de 600 Ω con una eficiencia del 6,1 % [1]

, la intensidad de entrada se puede aumentar más allá de 160 W/m2 en el modo de 300 kHz sin una disminución significativa de la eficiencia, mientras que en el modo de 475 kHz, la eficiencia comienza a disminuir una vez que la intensidad de entrada aumenta más allá de 70 W/m2 [1]

el segundo modo de matriz de la matriz CPUT de alta frecuencia proporciona una mejor operación de transferencia de energía. A 1,55 MHz, se pueden aprovechar 92,5 µW en una carga de 140 Ω (0,11 V CC) con una eficiencia del 22,4 %, mientras que el primer modo de matriz solo proporciona 22,0 µW en una carga de 160 Ω (0,06 V CC) con una eficiencia del 11,3 % [1]

Bibliografia

[1] C. Wei, S. Surappa, and F. L. Degertekin, “Experimental verification and design guidelines for efficient ultrasonic power transfer using capacitive parametric ultrasonic transducers,” in IEEE International Ultrasonics Symposium, IUS, IEEE Computer Society, Sep. 2020. doi: 10.1109/IUS46767.2020.9251408.

[2] S. Surappa, S. Satir, and F. Levent Degertekin. “A capacitive ultrasonic transducer based on parametric resonance,” Appl. Phys. Lett. 111, 043503 (2017); https://doi.org/10.1063/1.4995564

[3] S. Surappa, M. Tao, and F. Levent Degertekin. “Analysis and Design of Capacitive Parametric Ultrasonic Transducers for Efficient Ultrasonic Power Transfer Based on a 1-D Lumped Model,” IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control 65, no. 11 (2018): 2103- 2112.

 [4] S. Surappa, and F. Levent Degertekin. “Characterization of a parametric resonance based capacitive ultrasonic transducer in air for acoustic power transfer and sensing,” Sensors and Actuators A: Physical 303 (2020): 111863.

[5] S. Satir, J. Zahorian, and F. Levent Degertekin. "A Large-Signal Model for CMUT Arrays with Arbitrary Membrane Geometry Operating in NonCollapsed Mode," IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control 60, no. 11 (2013): 2426-2439.