microelectrónica

El chip que se alimenta del aire

Un equipo de investigación crea un sensor que mide la temperatura tan ligero como un grano de sal y que obtiene toda su energía de una wifi

El sensor de temperatura no precisa cables y es el más pequeño del mundo. UTE

Los edificios inteligentes están tan atentos a las necesidades de sus habitantes que se adelantan a ellas. Para eso, tienen que dotarse de sentidos (y sensores) que midan a cada instante lo que pasa a su alrededor. El Internet de las cosas ya no es cosa de futuro, pero algunos investigadores se han empeñado en que no se vea. Un equipo de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (Países Bajos) encabezado por un estudiante de doctorado, Han Gao, ha creado el sensor de temperatura más pequeño del mundo: apenas dos milímetros cuadrados y el peso de un grano de sal. Sin embargo, si sus autores tuvieran que presentarlo a un concurso, no lo harían por ninguno de esos dos récords, sino por su autonomía: para funcionar no precisa más energía que la que recibe del wifi con el que se comunica (en su pequeñez hay sitio para una antena y un router).

El nuevo dispositivo resultará útil sobre todo en domótica. Los sensores podrán instalarse en las paredes o el mobiliario de una casa para medir con precisión la eficiencia de la calefacción o el aire acondicionado. También servirá para medir la temperatura de las diversas partes de la maquinaria en una fábrica o la superficie de un neumático en un vehículo en marcha. En el ámbito de la salud, el sensor podrá tomar de continuo la temperatura corporal de una persona. Y, con una pequeña adaptación, podría mutar sus capacidades para medir, además del calor, la luz, la humedad o la proximidad de otro objeto. 

Cada uno de nosotros va a llevar encima cientos de dispositivos sin cables", sostiene uno de los creadores del chip

A pesar de su aplicación y tamaño, "Energía cero" es la expresión que, casi como un eslogan, abandera el director del Centro de Tecnología sin Cables, Peter Baltus, para referirse al nuevo dispositivo que él y su equipo han creado. "Todo el mundo está tan entusiasmado con el Internet de las cosas que los investigadores nos sentimos como obligados a que sea un éxito", confiesa. Para Baltus, el reto es inminente ("estamos hablando de que cada uno de nosotros va a llevar encima cientos de dispositivos sin cables") e implica dos grandes cambios en la manera de crear nuevos gadgets: eliminar las baterías y rebajar al máximo el coste de los aparatos sin cables. "Tenemos que acabar con eso de tener que ir cambiando las pilas, no solo por cuestiones medioambientales, sino también porque no nos podemos pasar el día sustituyéndolas, ni poniendo a cargar baterías de los nuevos cientos de dispositivos con los que vamos a convivir", describe Baltus. Para él, el pequeño tamaño y el poco peso de su sensor no son más que "la consecuencia" de resolver ese doble desafío antibaterías y low cost.

La carrera hacia el sensor más pequeño del mundo

La NASA y varias empresas de ingeniería llevan años compitiendo por crear el sensor más pequeño del mundo. La agencia espacial de EE UU, a través de una empresa spin off, creó uno que, en todo caso, es mil veces mayor que el sensor ahora presentado en Eindhoven. La misma universidad ya presentó otro dispositivo, BodyAnt, de un tamaño similar al de la NASA, pero con batería (que apenas duraba cinco días). Phase IV, una empresa de ingeniería, creó otro alimentado por baterías aún más pequeño, con dos meses de autonomía. Aun así, su tamaño era 200 veces mayor que el nuevo sensor. La empresa también ha creado un sensor que es solo 100 veces mayor, pero usa otro tipo de tecnología: la RFID o de identificación por radiofrecuencia, y su coste, 165 dólares, contrasta con los 20 centavos del chip de Eindhoven.   

Para lograrlo, valoraron muchas opciones antes de atinar con la que, al menos conceptualmente, parecía más obvia: alimentar eléctricamente el dispositivo con la misma fuente con la que intercambiaba datos. "Valoramos dotarlo de energía fotovoltaica, u obtenida de vibración mecánica; también pensamos aprovechar el contraste térmico... pero es que solo planteaban problemas: no ofrecían un suministro continuo y requerían añadir más circuitos al sensor". Eso implicaba ampliar los costes, el peso y el tamaño, pero para eso estaba la wifi: garantizaba que el sensor contase con energía justo cuando la necesita. Por otro lado, escoger este sistema no les exigía añadir más circuitos, porque los de radio que lleva el chip bastaban para ambos propósitos (recibir y enviar datos y recibir energía) y les permitía integrar perfectamente el sensor entero en una pequeña pieza de silicio, sin añadir ningún componente. Así se reducían coste, tamaño y peso: el santo grial para los investigadores holandeses.

La física no se lo iba a poner tan fácil, sin embargo. La wifi está pensada sobre todo para transmitir información, no energía. ¿Cómo asegurar que la transferencia de energía es eficiente? ¿Cómo hacer que el chip obtuviera la suficiente de la fuente emisora? Y una tercera, más obvia aún: ¿cómo es posible instalar una antena que capte bien la energía en un sensor tan pequeño? Para resolver el primer problema, los científicos forzaron a la estación base a emitir la señal en un haz relativamente estrecho, enfocado directamente al dispositivo.

ampliar foto
El nuevo sensor sobre la imagen de un termómetro de mercurio convencional.

Si el sensor cambia de sitio, no es preciso reorientar la base porque es capaz, según los investigadores, de escanear 100 ubicaciones distintas por segundo. "Podría llevarlo encima un perro moviéndose y no perdería eficiencia", ejemplifica Baltus, aunque para eso será preciso ampliar la mínima distancia que ahora mismo separa al sensor del emisor, unos ridículos 2.5 centímetros. Para resolver los otros dos problemas, los investigadores tiraron de ingenio y de un rectificador (un circuito que convierte la energía alterna en energía continua) y trabajaron en frecuencias muy altas (unos 60 gigahercios), para las que una antena pequeña es suficiente. Ese rango del espectro electromagnético está abierto en la mayor parte de los países.

Futuras mejoras

Para hacer su trabajo, el chip gasta solo un nanojulio, una nimiedad comparada con el consumo de cualquier aparato doméstico, pero suficiente para medir la temperatura y enviar el dato a la estación en solo 100 milmillonésimas de segundo. Eso sí, no les vale una estación de base cualquiera, ni mucho menos un router doméstico convencional: el aparato que han empleado aquí es muy sensible.

Mejorar la base emisora es uno de los retos que ahora se plantean. "Hemos enfocado todo nuestro trabajo en fabricar el minisensor sin cables, y la verdad es que terminamos por hacer un trabajo muy rudimentario en la base". El investigador aventura que, incluyendo algunas mejoras en las antenas, podrá aumentarse la distancia entre emisor y sensor: "El alcance teórico del sensor es de cinco metros", apunta Baltus. Para ampliarlo, "hay que investigar más, en otra línea", apunta Baltus. El trabajo de investigación en el que se basa el sensor aparece recogida en una tesis doctoral. 

Su producción podría ser inmediata. Cada chip costaría unos 20 centavos de dólar

Los investigadores también tienen que mejorar el tamaño de la antena que lleva el sensor. A pesar de ser minúscula, ocupa casi la mitad de todo el espacio, y encima tiene que alternar la función de emitir ondas y la de recibirlas. Para pasar de una función a otra, hace falta usar conmutador que, ahora mismo, pierde nada menos que el 90% de la señal. Confían en mejorarlo para que apenas pierda un 20%.

Una vez superado estos problemas, cabe el consuelo de que la producción no será un problema de dinero. De hecho, el equipo de Eindhoven cree que la fabricación de los sensores, a diferencia de otros dispositivos en estado inicial, está a la vuelta de la esquina. "El sensor va colocado sobre una pieza de silicio convencional [el dispositivo está basado en la tecnología de sensores CMOS de 65 nanómetros] y la producción no encierra ningún secreto ni dificultad. No hace falta empaquetarlo, ni imprimir circuitos añadidos, ni ningún tiempo de ensamblaje, así que creemos que el coste será mucho más bajo que el de cualquier otro disponible ahora en el mercado". Por norma general, los fabricantes hablan de un coste de 10 centavos de dólar por milímetro cuadrado de un circuito integrado de silicio, "en el caso de este sensor hablaríamos de solo 20 centavos", calcula satisfecho el investigador, que confía en que el potencial práctico del dispositivo haga aún más atractiva su producción: "Cada vez que se lo cuento a alguien se le ocurre una nueva aplicación en la que ni siquiera habíamos pensado".

¿Cuánta energía consume dar la temperatura?

Decirle a alguien la temperatura en la oscuridad, dársela por teléfono o por WhatsApp no consume mucha energía, pero sí en comparación con lo poco que gasta el nuevo sensor.

Por ejemplo, si para dar la temperatura usamos una linterna con un LED de un vatio y la encendemos solo un segundo para leer lo que marca un termómetro de exterior, consumiremos solo un julio de energía, pero eso ya será mil millones de veces más que lo que gasta el nuevo sensor en enviarle el dato a su estación base.

Si lo que queremos es decirle a alguien por teléfono la temperatura que hace y apenas tenemos 10 segundos para la conversación (usando un móvil GSM con un transmisor de dos vatios y una eficiencia por debajo del 50%), emplearemos unos 40 julios, nada menos que 40.000 millones de veces más energía de la que consume el pequeño chip.

Incluso, si lo que usamos para comunicar el frío o el calor que hace a alguien es el WhatsApp en un brevísimo mensaje de solo 10 bits enviado en una red 3G a, digamos, 40 megabits por segundo, consumiremos 250 nanojulios, es decir: 250 veces más energía que con el sensor. 

Más información