Vés al contingut

Grup de Microfabricació i integració de sensors i fonts d’energia (MESSI)

L’objectiu del grup és contribuir amb nous dispositius de microenergia i detecció intel·ligent a reptes importants a llarg termini com ara “Ciutadans més sans” i “Net Zero Human Impact”. Dins d’aquest marc general, s’aborden diferents línies d’investigació. En el camp de la microenergia, abastem les activitats de recol·lecció ambiental (termoelectricitat) i generació/emmagatzematge (piles de micro-combustible i bateries biodegradables). En el camp de la detecció, ens centrem en sistemes que permeten identificar gasos o biomarcadors. La viabilitat de la microintegració tant dels sensors com de les fonts d’energia per aconseguir sistemes autònoms és un altre interès del grup, que utilitza tant tecnologies estàndard de silici com prototips ràpids i fabricació additiva. Finalment, el grup ha incorporat recentment investigació en dispositius de commutació resistiva basats en materials dielèctrics de capa fina d'alta permitivitat per al desenvolupament de cel·les de memòria RRAM i memristors amb potencial interès en diverses àrees d'aplicació com ara sinapsis electròniques per a aplicacions neuromòrfiques, o per a aplicacions de seguretat de circuits integrats.

Persona de contacte

MESSI group picture 2021

L’objectiu genèric del nostre grup és fer ús de micro-nanotecnologies per obtenir micro-nanodispositius construïts a partir de microestructures amb una arquitectura que els confereix una funcionalitat afegida (estructures ressonants, estructures aïllades tèrmicament, topografia 3D ...) i en ocasions la síntesi de materials sensibles o funcionals que permeten a aquestes microestructures interactuar amb l’entorn. D’aquesta manera, transduint fenòmens físics o químics en electricitat, es poden obtenir tant informació com energia de l’entorn en què es troben aquests elements, donant lloc a sensors, fonts de microenergia i, finalment, a sensors autònoms o autoalimentats. Els materials utilitzats són els relacionats habitualment amb la tecnologia del silici (IC i MEMS), recentment complementats amb materials alternatius com ara materials funcionals polimèrics o materials estructurals basats en polímers / paper i les seves tecnologies de baix cost associades. En tots els casos, les tecnologies són escalables i els materials són abundants i respectuosos amb el medi ambient, de manera que és possible una producció rendible, de gran volum i sostenible d’aquests elements.

Dispositius relacionats amb la microenergia

Termoelectricitat

Per a escenaris d’autonomia energètica a llarg termini, considerem la recollida de calor residual ambiental mitjançant termoelectricitat. Concretament, s’està investigant microgeneradors plans de silici per a aplicacions IoT basats en nanofils també de silici. En particular, es treballa per augmentar la densitat d’integració dels dispositius i la integració amb èxit d’intercanviadors de calor miniaturitzats, de manera que es pugui extreure una energia / potència útils. En el desenvolupament d’aquests microgeneradors termoelèctrics exclusivament fets amb silici s'ha avançat en la microfabricació ‘top-down’ d'una plataforma tèrmica en suspensió amb pèrdues mínimes de calor, la integració monolítica ‘bottom-up’ de matrius de nanofils de silici com a material termoelèctric i el muntatge físic d'un intercanviador de calor que maximitzi la diferència de temperatura assolible pels nanofils quan el sistema es col·loca en una superfície calenta. S’utilitza un enfocament tecnològic similar per explotar pel·lícules primes termoelèctriques (i caracteritzar-les desprès de créixer, o fins i tot en creixent, mitjançant el mètode Völklein de 3w amb sensibilitat submonocapa), i per dissenyar dispositius que puguin alhora recollir i emmagatzemar microenergia de naturalesa tèrmica.

Contacte: Luis Fonseca (luis.fonseca@imb-cnm.csic.es).

Sensors autoalimentats i dispositius d’emmagatzematge de microenergia d’un sol ús

D’altra banda, s’utilitzen tecnologies de prototipatge ràpid i materials biodegradables de baix cost per desenvolupar una nova generació de piles de combustible d’un sol ús i de baix impacte ambiental que puguin oferir una alternativa sostenible a les tecnologies actuals de bateries en escenaris d’autonomia energètica a curt i mig termini. Aquests dispositius roporcionaran energia senzilla, fiable i neta mitjançant bateries ecològiques de petita mida capaces d’alimentar sistemes de detecció portàtils o integrant piles de combustible petites en una nova generació de dispositius intel·ligents basats en paper i d’un sol ús. La pila de combustible està concebuda per subministrar durant el temps adient l'energia necessària per a l'aplicació, que s’obté directament del fluid que ha de ser analitzat(és a dir, sang, orina, saliva, suor), i poder ser descartada desprès. El nucli d’aquest tema d’investigació aprofita (i) l’enfocament electroquímic, per extreure energia i desenvolupar dispositius autoalimentats, (ii) l’elecció de tecnologies i materials, per a una producció sostenible i de baix cost, i (iii) l’ús de la capil·laritat de paper, que elimina la necessitat de bombes quan es requereix un flux de mostra o reactius. Això simplifica enormement el dispositiu i l’electrònica de gestió associada, que fins i tot podria arribar a ser electrònica impresa en comptes de integrada o discreta.

Contacte: Neus Sabaté (neus.sabate@imb-cnm.csic.es).

Microsistemes de detecció de gasos

Finalment, explorem nous principis i rutes de sensat de gasos per obtenir microsistemes de detecció de gas més selectius i de baix consum. El nostre enfocament inclou la síntesi de materials sensibles millorats (per exemple, òxids metàl·lics amb superfície modificada basats en ZnO, WO3, Fe2O3) a través de vies químiques escalables (per exemple, deposició química en fase vapor assistit per aerosols) i la integració de múltiples elements sensorials en matrius monolítiques tant en substrats rígids (per exemple, silici) com flexibles (per exemple, polímers). Els nostres esforços recents se centren en la combinació de les respostes resistives i òptiques d’aquests materials i estructures per obtenir microsistemes intel·ligents de detecció de gasos d’alt rendiment a baix cost amb característiques duradores i de reacció ràpida, de manera que es puguin utilitzar de manera ubiqua per controlar els gasos / vapors de interès pel medi ambient i la indústria. La termoelectricitat també es considera com a principi de treball pel desenvolupament de sensors de flux de gas, i ne el seu desenvolupament es poden combinar igualment tecnologies de baix cost basades en polímers i tecnologies estàndard de silici.

Contacte: Stella Vallejos (stella.vallejos@imb-cnm.csic.es).

Memristors basats en dielèctrics d’alta k

  • Fenòmens de commutació resistiva en estructures MIS i MIM basades en dielèctrics d’alta k. Caracterització eléctrica i física i modelització de memristors.
  • Investigació i modelització de les fonts de variabilitat, el soroll, efectes de la radiació i mecanismes d'envelliment que poden limitar la fiabilitat dels dispositius de commutació resistiva.

Contacte: Francesca Campabadal (francesca.campabadal@imb-cnm.csic.es).