高性能静电MEMS振动能量收集器

IMEC和松下联合开发了一种新的MEMS振动能量收集器能量收集器，其基于波纹SiO2-Si3N4驻极体. 该设备的尺寸仅为1cm2能量收集器，是为汽车轮胎压力监测系统（TPMS）开发的. 当发生正弦振动时，其最大产生功率为160μW. 如果用于汽车轮胎，其发电功率约为10〜50μW，可以满足TPMS模块的电源要求. 该能量收集器论文发表在第17届国际固态传感器，执行器和微系统国际会议（巴塞罗那）上.

图1新型MEMS振动能量收集器的设计

为了改善道路安全，美国和欧盟已强制在汽车上安装TPMS. 对于用户而言，希望TPMS既经济又耐用，并且在轮胎的使用寿命期间无需更换电池. 由于安装在轮胎上的TPMS在汽车行驶时处于连续的机械振动中，因此潜在的解决方案是使用振动能量收集来解决电池问题. MEMS技术生产的静电集电器不仅可以将机械能转化为电能，还可以降低生产成本，提高可靠性.

通过堆叠并键合三个晶圆来制造能量收集器. 中间晶片包含由质量和弹簧组成的基于硅的机械谐振器. 团块的底部具有波纹的SiO2-Si3N4驻极体. 下面的玻璃晶圆包含两个连接到负载电路的金属电极. 上层玻璃晶圆用作密封盖（可以实现真空包装）以保护设备.

当能量收集器受到外部振动时，物质彼此相对移动，最终进入共振状态，并且由固定电荷驻极体产生的电场使下方晶片上的两个电极充电. 每个电极上的反向电荷量等于通过其表面的电位移磁通量. 当质量与驻极体一起移动时，间隙中的电场发生变化，从而在电极之间产生电荷，从而使电流在连接两个电极的负载电路中流动.

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