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Grupo de Microfabricación e integración de sensores y fuentes de energía (MESSI)

El objetivo del grupo es contribuir con nuevos dispositivos de detección inteligente y microenergía a importantes desafíos a largo plazo como “Ciudadanos más sanos” y “Net Zero Human Impact”. En este marco general, se abordan diferentes líneas de investigación. En el campo de las microenergías, cubrimos las actividades de recolección ambiental (termoelectricidad) y generación / almacenamiento (micro pilas de combustible / baterías biodegradables). En el campo de la detección, nos centramos en sistemas que permitan identificar gases o biomarcadores. La viabilidad de la microintegración tanto de sensores como de fuentes de energía para lograr sistemas autónomos es otro de los intereses del grupo, utilizando tecnologías estándar de silicio así como prototipado rápido y fabricación aditiva.

Persona de contacto

El objetivo genérico de nuestro grupo es hacer uso de las micro-nanotecnologías para obtener micro-nanodispositivos construidos a partir de microestructuras con una arquitectura que les confiere una funcionalidad añadida (estructuras resonantes, estructuras térmicamente aisladas, topografía 3D ...) y en ocasiones la síntesis de materiales sensibles o funcionales que permiten que esas microestructuras interactúen con el entorno. De esta forma, transduciendo fenómenos físicos o químicos en electricidad, se puede obtener tanto información como energía del entorno en el que se ubican estos elementos, dando lugar a sensores, fuentes de microenergía y, eventualmente, a sensores autónomos o autoalimentados. Los materiales utilizados suelen ser los comúnmente relacionados con la tecnología del silicio (IC y MEMS), recientemente complementados con materiales alternativos como materiales funcionales poliméricos o materiales estructurales a base de polímero / papel y sus tecnologías de bajo costo asociadas. En todos los casos, las tecnologías son escalables y los materiales abundantes y respetuosos con el medio ambiente, por lo que es posible una producción rentable, de gran volumen y sostenible de dichos elementos.

Dispositivos relacionados con la microenergía

Termoelectricidad

Para escenarios de dispositivos que precisen autonomía energética a largo plazo, se está considerando la recolección de calor residual ambiental mediante termoelectricidad. En concreto, se están investigando microgeneradores planares de silicio para aplicaciones de IoT basados en nanohilos  también de silicio. Particularmente, se trabaja para aumentar la densidad de integración de estos dispositivos y la integración exitosa de intercambiadores de calor miniaturizados, de modo que se pueda extraer niveles de energía / potencia útiles. En este sentido, se está avanzando en el desarrollo de microgeneradores termoeléctricos de silicio basados en la microfabricación ’top-down’ de una plataforma térmica suspendida con pérdidas mínimas de calor, la integración monolítica ’bottom-up’ de matrices de nanohilos de silicio como material termoeléctrico y el ensamblaje físico de un intercambiador que maximice la diferencia de temperatura percibida por los nanohilos cuando el sistema se coloca en una superficie caliente. Se está utilizando un enfoque tecnológico similar para explotar también películas delgadas termoeléctricas (y caracterizarlas una vez crecidas, o incluso durante el crecimiento, utilizando el método de 3w Völklein con sensibilidad de sub-monocapa) y para diseñar dispositivos que puedan tanto recolectar como almacenar microenergía de naturaleza térmica.

Sensores autoalimentados y dispositivos desechables de almacenamiento de microenergía

Por otro lado, se están utilizando tecnologías de prototipado rápido y materiales biodegradables y de bajo costo para desarrollar una nueva generación de baterías y pilas de combustible desechables y de bajo impacto ambiental capaces de ofrecer una alternativa sostenible a la tecnología actual de baterías en escenarios de autonomía energética a corto y medio plazo. Estos dispositivos proporcionarán de forma simple una energía  confiable y limpia, ya se trate de baterías ecológicas de pequeño tamaño capaces de alimentar sistemas de detección portátiles o mediante la integración de una pequeña pila de combustible en  dispositivos inteligentes autoalimentados y de un solo uso basados en papel. Dicha pila de combustible está diseñada para entregar durante el tiempo necesario la energía requerida por la aplicación, que se obtiene directamente del fluido a analizar por el dispositivo (sangre, orina , saliva, sudor…), y poder ser desechada posteriormente. Esta investigación combina (i) el enfoque electroquímico, para extraer energía y desarrollar dispositivos autoalimentados, (ii) la adecuada elección de tecnologías y materiales, para una producción sostenible y de bajo costo, y (iii) el uso de la capilaridad del papel, que elimina la necesidad de elementos de bombeo cuando se requiere un flujo de muestra o reactivos. Esto simplifica enormemente el dispositivo y la electrónica de gestión asociada que incluso podría llegar a ser electrónica impresa y no integrada.

Microsistemas de detección de gas

En este campo, se están explorando nuevos principios y rutas de sensado de gases para desarrollar microsistemas de detección de gas más selectivos y de menor consumo de energía. Nuestro enfoque incluye la síntesis de materiales sensibles mejorados (por ejemplo, óxidos metálicos basados en ZnO, WO3, Fe2O3 con superficie modificada) a través de rutas químicas escalables (por ejemplo, deposición química en fase vapor asistida por aerosoles) y la integración de múltiples elementos de detección en matrices monolíticas tanto en sustratos rígidos (por ejemplo, silicio) como flexibles (por ejemplo, polímeros). Nuestros esfuerzos recientes se centran en la combinación de las respuestas resistivas y ópticas de dichos materiales y estructuras para obtener microsistemas de detección de gas inteligentes de alto rendimiento a bajo costo de reacción rápida y durables para que puedan usarse ubicuamente para monitorear gases / vapores de interés industrial o medioambiental. La termoelectricidad también se considera un principio de funcionamiento para el desarrollo de sensores de flujo de gas, para cuyo desarrollo pueden combinarse igualmente tecnologías de bajo coste basadas en polímeros y tecnologías de Si estándar.