THERMOLOGICS: Etiquetas autoalimentadas para la gestión de la logística de la cadena de frío basada en generación termoeléctrica.

Resumen del proyecto:

La industria de productos perecederos, como la agricultura y los productos farmacéuticos, dependen de la eficiencia de la cadena de frío durante el transporte. Las nuevas vías comerciales globales y las regulaciones de obligado cumplimiento han ampliado aún más la necesidad de monitorear en tiempo real la cadena de frío durante el transporte para garantizar una información inmediata y procesable. Un número significativo de productos para la salud (vacunas, insulina, productos sanguíneos lábiles, productos biotecnológicos, tejidos, órganos, etc.) son sensibles al calor, y las variaciones de temperatura pueden inutilizar estos productos o hacer que sean ineficaces o incluso peligrosos. Afrontar los problemas planteados con respecto al control de la temperatura de estos productos para la salud a lo largo de la cadena de distribución es esencial, siendo prioritarios los factores económicos y de salud. La propuesta THERMOLOGICS tiene como objetivo desarrollar una solución que cubra la brecha existente entre las etiquetas termosensibles analógicas comerciales de bajo coste y los complejos registradores de datos de temperatura alimentados por batería mediante el desarrollo de una etiqueta digital sensora de temperatura y autoalimentada a través de la generación de energía termoeléctrica. El principio de funcionamiento de la solución propuesta se basa en crear una diferencia temporal de temperatura entre los dos extremos de un generador termoeléctrico situado en la etiqueta cada vez que el producto monitoreado sea sometido a una temperatura no deseada. De esta manera, el componente termoeléctrico comenzará a generar energía eléctrica, que se utilizará para generar una alarma. La estrategia para crear una diferencia de temperatura dentro de la etiqueta es uno de los aspectos clave de la propuesta. Se fabricará un generador termoeléctrico basado en tecnologías de silicio de forma que sus uniones "fría" y "caliente" estén físicamente separadas en dos bloques térmicos. Una de las uniones estará térmicamente conectada a la superficie del paquete del producto que se va a monitorear, mientras que la otra lo estará al entorno circundante. Así, cuando el producto se someta a una T ambiente fuera de rango aceptable la región caliente del chip evolucionará rápidamente para coincidir con el valor de la T ambiente mientras que la región fría se mantendrá a la T del producto. Esto creará transitoriamente una diferencia de T que conducirá a la generación de un voltaje en el generador termoeléctrico de de silicio. Al mismo tiempo, el diseño de una circuitería electrónica inteligente de potencia ultrabaja permitirá administrar la energía generada de manera que proporcione información útil sobre el estrés térmico sufrido por el producto que se está monitoreando. Al estar la variación de temperatura relacionada con el voltaje generado por el TEG, esta variación podrá ser analizada por parte de la electrónica en base a las magnitudes de carga y energía generadas. Esta carga/energía que se genera y recupera se traduce en una detección del exceso de temperatura también en términos de voltaje, ya que éste depende de la diferencia de temperatura. En este enfoque novedoso, las variaciones están relacionadas con las detecciones de energía, por lo que el sistema se convertirá en un detector de eventos generados por variaciones de energía.

Resumen del Subproyecto:

El subproyecto Sensores de temperatura autoalimentados basados en generadores termoeléctricos está dedicado a desarrollar una plataforma termoeléctrica basada en tecnologías de silicio que genera energía cada vez que la temperatura circundante experimenta un cambio. El aspecto clave de la plataforma radica en la capacidad de crear un gradiente de temperatura temporal entre de los extremos "caliente" y "frío" del generador termoeléctrico. Por tanto, la microestructura de silicio que alberga el dispositivo termoeléctrico debe integrar dos zonas térmicas distintas para que pueda desarrollarse una diferencia de temperatura entre ellas. Dado que el silicio es un buen conductor térmico, este aislamiento generalmente se logra definiendo estructuras micromecanizadas térmicamente aisladas. Simulaciones FEM que incluyan los materiales compatibles con silicio tecnológicamente disponibles para implementar los termopares, tanto en términos de sus propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas como de sus dimensiones físicas (espesor, ancho, longitud) permitirán optimizar el diseño de la microestructura. Una vez que se decidan las dimensiones óptimas se diseñará el conjunto de máscaras fotolitográficas necesarias y los dispositivos se fabricarán utilizando procesos de sala blanca (pasos de fotolitografía, depósito y grabado de capas delgadas de los materiales adicionales necesarios y micromecanizado de silicio). Los dispositivos obtenidos se caracterizarán termoeléctricamente calentando internamente una de las áreas en dispositivos de prueba especiales con un calefactor incorporado (modo de prueba), o colocándolos en una superficie caliente controlada (modo de generación de energía). Esto mostrará cuál es el voltaje y la potencia alcanzables a diferentes diferencias de temperatura. Además del dispositivo termoeléctrico en sí, se introducirá en el sistema un material sensible a la temperatura para alterar significativamente la dinámica térmica de todo el sistema. Un factor muy importante que permitirá crear un gran gradiente térmico en la arquitectura plana prevista será la optimización de las conexiones térmicas tanto a la muestra a monitorizar como al entorno circundante. Las estructuras de intercambio de calor se diseñarán para reducir la resistencia térmica entre el generador termoeléctrico y la superficie de la etiqueta (en el lado frío) y el aire circundante (en el lado caliente). Los diferentes enfoques pueden incluir PMMA, SU8 u otros polímeros con capacidades de microfabricación y buena estabilidad química y mecánica. Finalmente, se abordará la integración de todos los componentes necesarios para tener un dispositivo funcional completo, y se evaluará y optimizará el rendimiento final del TEG con los materiales sensibles a la temperatura y las interfaces térmicas. Finalmente, para obtener un prototipo completamente operativo, el dispositivo de silicio se integrará en un sustrato flexible con formato de etiqueta y se probará en condiciones reales.