從以太中提取能量并為輕便系統供電的采集器
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IMEC 在半導體和 MEMS（微機電系統）技術方面有深入研究，能量采集工作利用這些長處也就不令人意外了。在熱能領域，Holst 的研究者專注基于 MEMS 的溫差電堆方案，以創建一個 TEG（熱電發電機）。溫差電堆基本上是一個熱電偶元件陣列。這些元件在電氣上串行連接，使溫差電堆累加每個元件產生的電壓。元件之間并聯，從熱學上將冷結點或參考結點捆綁在一起，并連接到相對的熱結點。溫差電堆的溫差越大，產生的電流也越大。
正如所料，商用溫差電堆還太貴，無法滿足應用的需求，因為需要很多元件串聯才能產生有用的電壓。但 Holst 的官員相信，該所能用一個 MEMS 方案建立一個可接受的陣列。即使采用了 MEMS 方案，半導體的微型體積也會帶來問題。熱電偶的高度本身就可以產生板與板之間的寄生熱傳導。Holst 研究者們希望在一個硅圓環上構建熱電偶陣列，這樣既增加了空間，也提供了極板間的隔離氣隙，解決寄生熱傳導問題。
Holst 的研究者們正在致力于一個原型設備，并同時開發 MEMS TEG。原型設備是一個血氧定量計，這種醫療儀器可以測量心率和血液中的氧含量。原型使用了一個類似醫療設備使用的商用指尖傳感器。它耦合到一個低功耗運行的電子子系統。
Holst還必須制造出一個可以運行的單片TEG。原型采用BiTe（碲化鉍）制造的分立溫差電堆，它總共有5000個熱電偶元件，尺寸約為5cm2~6cm2。溫差電堆裝成外形像手表，基準熱極板放在皮膚上。人類皮膚的溫度通常是33℃。Holst 研究者們將手表式TEG固定在手腕內側的橈動脈處，以獲得最高的溫度。
在環境溫度為22℃時，原型TEG可以提供100mW功率。血氧定量計的設計可以完成測量和無線傳輸，并每隔15秒無線傳輸測量結果一次，其時耗電為62mW。本文引用地址：http://cqxgywz.com/article/176580.htm
開發單片 TEG 的第一步是用于概念驗證的 SiGe（硅化鍺）器件，不過研究者已經開發的模型清楚表明，SiGe 不會在原型近100mW時傳送任何東西。他們希望用SiGe TEG實現達到5mW。在這個功率級上，仍然可以運行血氧定量計，當然測量循環要低得多。項目總監Bert Gyselinckx建議，系統可以每小時測量數次，而不是每分鐘四次。值得一提的還有，Holst采集器要比精工的溫差發電手表先進得多，它在1mW下就可以運行。
如果SiGe TEG能按計劃工作，該團隊會用BiTe構建一個基于MEMS的單片TEG。據Gyselinckx 說，模型顯示這種設計可以提供30mW。兩種計劃中的單片設計將制成一個1cm2的芯片，這是TEG的占位面積。盡管 BiTe TEG 理論上要比 SiGe TEG 更便于制造，但 SiGe 器件已經能在很多 CMOS 線上生產，而 BiTe 器件則不能。并且，盡管整個 TEG 工作大有前途，但大批量市售TEG顯然還要等上幾年。
同時，Holst 研究者們正在從事一些其它應用和其它類型采集器的開發。Gyselinckx 相信在助聽領域將會出現其它醫療設備，甚至是植入人體的醫療設備。他說：“人體內存在一些熱梯度。”
Gyselinckx 還指出了在工業和工廠設置中的潛在應用。在工廠中部署熱能采集器的設計者會發現很多可用的熱量梯度。但為什么要在供能充足的地方使用采集器？Gyselinckx 稱，這樣能比較簡單地不用新的電源線和數據線而增加監控網絡，從而實現采集器和無線網絡的結合。
關于其它采集技術，Holst正在探索壓電和靜電振動采集器。對于這兩種情況，研究者將目光集中在用半導體制造技術實現采集器。在靜電方案中，研究者希望采用MEMS技術和多個晶圓。出現振動時，一個晶圓將相對底部的固定晶圓而運動，因此，變化的電容量為一個負載提供電流。
另外，Perpetuum也有基于振動的采集技術。參考文獻1中列出了基本情況，不久以前，EDN報道了該公司最新的發電機（參考文獻2）。
當然，Holst、EnOcean和其它公司的研究者們亦面臨著低功耗電路和低功耗無線網絡技術的問題。這就是Holst構建一個終端設備的原因之一。在Holst網站上可以看到DC/DC轉換器設計細節，以及血氧定量計的詳情。
同樣，EnOcean的很多工作也是在系統級，如無線網絡。該公司將自己的無線網絡選擇在 868.3MHz 頻段，在此頻段，它可以用調幅作短數據包突發傳輸，并滿足全世界管理機構的要求。公司稱在 50mW 功率下，該技術可以在 300m 范圍內傳輸信號。
設計者在能量采集設備中將面臨的另一個問題是對極低功耗IC和元件的需求。ALD（先進線性器件）公司多年來一直在關注極低功耗 MOSFET 市場，現在希望將這些專業知識用于能量采集應用
。公司首先推出了稱為零閾值的MOSFET，它工作在低至 200mV的柵極閾值。然后，該公司推出了這種 MOSFET 的可編程陣列，現在計劃一個模塊系列，針對使用低功耗 MOSFET 的能量采集應用。
據ALD首席執行官Bob Chao稱，使采集器運行在實際應用中的關鍵是監控存儲的能量，并控制喚醒處理器與其它電路的時間，完成手邊的任務。圖1的簡圖指出了Chao所說的觀點。必須有一些電路不斷監控能量采集器的存儲，這就是ALD技術起作用的地方。
Chao稱ALD將在2007年初推出三款用于振動設備的模塊。他稱為型號 A 的模塊將是一個 4.5 mJ 器件，可以在 1.8V 時提供 25 mA 電流。該器件將偶爾提供這個負荷，根據不同振動環境，也許數小時一次。這個能量將適合 Zigbee 應用的臨時供電。其它模塊將提供更大的功率，但也許運行的頻率會更低。Chao 稱這些模塊將有相當于 AA 電池的體積。
Chao 還稱 ALD 已在一系列汽車橋上振動供電傳感器中使用了這種技術。通過的汽車會產生振動。但 Chao 沒有提到現在使用的設備的名稱，因為 ALD 只是將此技術提供給合同商。
盡管今天的大多數能量采集技術還處于原型階段，但顯然在今后幾年內，將會出現一些實際應用。另外一些公司包括 Thermo Life，正在致力于熱能采集器的工作。MicroStrain 和 Ferro Solutions 正在開發基于振動的采集器，面向軍隊應用。設計者面對的挑戰將是采集技術與一個具有強大吸引力產品的完美組合。
參考文獻
1. Conner, Margery, Energy harvesters extract power from light, vibrations, EDN, Oct 27, 2005, pg 45.
2. Prophet, Graham, Vibration powers wireless sensors, EDN, Sept 1, 2006, pg 26.
附文:芯片上有引擎嗎？
一方面，電池開發商們在改進電池化學性質方面取得了長足進步，擴展了電池壽命，制造出了更小的電池，并改善了充電性能。另一方面，電池方面的專家仍無法提供與電池體積和重量相適應的能量密度。因此，研究者們繼續尋找替代品，如燃料電池，甚至小型燃料引擎。
多年來，EDN 與其它很多出版物都報導了燃料電池技術，它可為筆記本電腦、PC、手機和汽車及家庭提供電能。EDN 在兩年前的專題中已發表過最新報導（參考文獻A），從那以后，燃料電池在真實世界中只獲得了有限的成功。
不久以前，微燃料電池進入了我們的視線。微燃料電池基本上是采用 MEMS（微機電系統）技術，在半導體結構中制成的燃料電池。但今年 EDN 報導說這種微燃料電池看來不會用于主流應用，如手機（參考文獻 B）。
但是，這篇有關能量采集的文章關注的是那些合適的應用，它可以從這種采用 MEMS 工藝構建的小型引擎獲得某種潛在優勢。
DARPA（美國國防先進技術研究計劃署）正在推動這一研究，雖然其初衷主要是軍用。該計劃署指出碳氫燃料的能量密度比最好的鋰離子電池要高 50倍 ~ 100倍（參考文獻）。
同時，馬薩諸塞技術學院 Microsystems 技術實驗室正在一個芯片上構建一個真正的氣體渦輪引擎。同樣，MEMS 技術是關鍵，并且推動力量也主要來自軍方（參考文獻 D）。研究人員希望今年能獲得一個工作原型。
參考文獻
A. Strassberg, Dan, Fuel-cell technology: The glass is half-full ... with methanol fuel, EDN, May 27, 2004, pg 53.
B. Conner, Margery, Micro fuel cells may find niche applications, EDN, April 4, 2006.
C. MPG program.
D. Stauffer, Nancy, Engine on a chip promises to best the battery, Microsystems Technology Laboratories, Massachusetts Institute of Technology, Sept 19, 2006.
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