MEMS能量收集器技术和市场

作者: 王毅

MEMS营销工程师

1. 能量收集技术的现状

随着低功耗的迅速发展以及诸如无线传感器网络，嵌入式智能结构和可穿戴健康监控之类的独立工作系统的出现，对长寿命独立电源技术的需求越来越强. 目前，电池仍是此类系统的首选电源. 但是，电池的容量毕竟是有限的，需要定期更换，这给上述系统的应用带来很大的不便. 同时，大量使用电池也会对环境造成伤害. 近年来出现的能量收集技术是解决上述问题的有效方法. 它使用环境中存在的各种能量将其转换为电能，并存储以为电子系统供电. 该解决方案的电源寿命理论上取决于构成能量收集器的电子设备的寿命. 没有消耗额外的能量，也没有排放. 这是一种典型的“绿色”技术. 可用于能量收集和转换的环境能量包括太阳能，振动机械能，温度梯度等. 其中，太阳能的利用已商业化，其他能量收集技术仍在研究中. 振动机械可以产生各种各样的能量，特别是在人们难以进入的许多地方，有振动源的地方，对振动能量收集技术的研究具有更普遍的意义. 通常，有三种将振动能量转换为电能的方法: 电磁，压电和静电. 其中，电磁输出电流大，电压低，给后续电源管理电路的设计带来了困难. 静电型需要额外的电压源，很难实际应用. 压电式机电转换效率高，输出高. 高压的优点已得到广泛关注.

目前，压电振动能量收集器的报道很多，部分使用传统的压电陶瓷片，部分使用由MEMS和压电薄膜技术开发的微振动能量收集器. 由于MEMS技术和微功率集成电路技术的发展，未来的微系统将具有更小的尺寸，更低的功耗和更高的集成度. 因此，研究采用MEMS技术处理的振动能量收集器将来可能会满足独立工作的微系统的能量供应，并可能与其他功能模块集成.

尽管集热器在建筑和家庭自动化领域中使用最多，但其输出仍然微不足道. 当前正在开发/小批量应用的行业是汽车，工业，军事和航空航天；处于“婴儿期”的行业包括环境，医疗和消费类电子产品.

图1不同应用领域中能量收集器的发展状况

2. 能量收集器应用于环境

密歇根大学的教授开发了一种能量收集器，该能量收集器使用压电装置从飞行中的绿色六月甲虫的翅膀的振动中产生电能，从而使每个甲虫的总电力输出达到45毫秒瓦特. 机器昆虫可以用作微型飞机来执行搜索和救援，跟踪，监视危险环境以及检测爆炸物等任务.

图2能量收集器收集昆虫飞行过程中机翼的振动能量

以前收集昆虫能量的方法包括使用热电偶收集昆虫体内的热量，或使用共振磁设备收集振动能量. 但是，不同的甲虫翅膀的振动频率相差很大，同一甲虫在不同条件下的振动频率也不同，因此非谐振装置可以有效地收集各种振动产生的能量.

3. 能量收集器用于军事领域

如今，在国防领域，能量收集器主要用于飞机和直升机的健康与使用情况监视系统（HUMS）. 但是，对于民用和军事市场，HUMS系统正在出现. 此外，还正在开发HUMS的微型版本: 用于无人机.

在过去的20年中，HUMS系统在直升机中的使用已被证明是非常有效的: 它提高了直升机的安全性，降低了维护成本，并防止了因操作失误引起的事故. 由于HUMS具有故障检测和隔离功能，因此人们现在将HUMS视为机械系统的自检测系统.

HUMS包含各种传感器，用于监视直升机或旋翼飞机的外部状态.

目的: 诊断和预测关键部件（加速度计）+环境遥感（温度读数）.

与使用有线传感器的传统HUMS系统相比，当前的HUMS使用无线传感器通过传输数据，并使用能量收集器收集由转子旋转产生的振动能量.

4. 能量收集器应用于电源电路

电源电路中正在采用新的概念，即能量清除. 该技术可以使用太阳能电池，压电发电机和其他能量转换设备来收集能量，然后将其转换为电能，并将其存储在电容器中以供使用. 在很多情况下能量收集器，传感器电路不需要继续运行能量收集器，因此可以在传感器停止时补充能量.

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