MEMS能量采集技術促進物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

如今，電子設備的體積越來越小。在即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時代中，通過微型傳感器可以研發(fā)出在科幻小說中才有的科技應用。然而，微電子設備的運行依舊需要電能，其運行電力主要來自微機電系統(tǒng)（MEMS）對機械振動等環(huán)境能量的收集。

傳統(tǒng)的MEMS能量采集器（圖片來源:Tokyo Institute of Technology）

無線傳感器網(wǎng)絡、嵌入式系統(tǒng)、射頻識別(RFID) 、無線通訊等技術發(fā)展迅速。在由這些技術組成的網(wǎng)絡和系統(tǒng)中 ,微型傳感器等無線元器件得到廣泛應用。 

這些元器件一般數(shù)目龐大、位置分散、體積微小。因此 ,相應元器件要求其供電部分具有體積小 、集成度高、壽命長甚至無需更換 、無人看管等特點 。傳統(tǒng)電池體積大、質量大 、供能壽命有限，能量耗盡需更換或反復充電 。 

近年來 ,微型高能電池蓬勃發(fā)展 ,它可以滿足對無線元器件供能的需求 ,但是它的能量密度及供能壽命仍然有限 。另外 ,對于一些需要長時間 (工作時間以年為單位)工作的分散式、嵌入式元器件而言 ,更換電池極大地增加了成本 ,尤其是元器件數(shù)目較多 ,甚至由于位置偏遠或難以觸及 (比如戰(zhàn)場、人體內(nèi)) 的原因而無法更換。

為了擺脫對電池的依賴而實現(xiàn)對無線元器件供能的要求 ,研究人員提出了微能量采集技術。微能量采集技術是利用某種效應把周圍環(huán)境中的某種形式的能量轉換成電能 ,為嵌入式系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)絡中的MEMS器件供能 。 在各種能量源中 ,振動機械能廣泛存在 ,且能量密度大 ,因此在微能量采集技術中 ,是一種比較好的選擇。

振動機械能轉換為電能的方法有三種：電磁式 、靜電式、壓電式，其中壓電式換能方式結構簡單，便于MEMS加工，能量采集密度大，且無需啟動電壓，在實際應用中滿足嵌入式系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)絡的要求 。 

壓電式能量采集器的研究已經(jīng)取得了一些進展 。一種基于MEMS技術制作，工作于低頻振動環(huán)境 (頻率小于 1 000 Hz) 的壓電微能量采集器，通過一種能量采集電路完成了測試。 

1、基本原理

壓電能量采集器的基本工作原理是壓電效應，即壓電材料在外界振動的激勵下發(fā)生形變，引起材料內(nèi)部偶極子的不對稱, 發(fā)生極化現(xiàn)象 , 同時在材料的外表面上出現(xiàn)正負相反的電荷 。

壓電方程可以簡單表達為 

式中 :σ為應力 ;α為應變;ε為介電常數(shù) ;E 為電場強度;D 為電位移 ;c 為楊氏模量;dxx為壓電常數(shù) 。

從式 (1)可以看出 , 壓電材料的電輸出和應力應變存在著緊密的聯(lián)系, 這種機電耦合機制也正是壓電材料能將機械能轉化為電能的基礎 。 

壓電式能量采集器工作時引起壓電材料內(nèi)部發(fā)生應變的原因是:特定的結構 (一般是梁結構)將外界的振動激勵轉化為結構自身的振動, 并由此帶動壓電材料的形狀發(fā)生變化 , 從而輸出電能。 

2、物理模型

研究人員最早提出利用彈簧-質量塊阻尼振動模型來解決振動能與電能的轉換問題,該模型基于線性系統(tǒng)理論而且與具體的換能機制(壓電式 、 靜電式或電磁式)無關, 其典型的物理模型如圖 1 所示, 主要包括彈簧、 質量塊 、 阻尼器和基座。當基座在外界激勵的作用下發(fā)生振動時, 質量塊隨之振動, 從而把外界的振動能轉化為電能。 

模型的數(shù)學表達式為 

式中：x 為彈簧的形變量；y 為環(huán)境振動的輸入位移量 ；m 為質量塊的質量 ;be 和 bm 分別表示電阻尼系數(shù)和機械阻尼系數(shù) ;k 為彈簧的彈性常數(shù)。

3、能量采集器結構及工藝

壓電效應有兩種 : d31 和 d33 模式。這里介紹一種采用 d33 模式制作的復合懸臂梁式結構。它由 Pt/ Ti 叉指電極 , PZT 壓電層 , ZrO2 , SiO2和 Si 層組成 ,在梁的自由端加一鎳質量塊 ,如圖2。

其中叉指電極可以產(chǎn)生 d33 模式的響應電場 ; ZrO2層作為絕緣層可以阻擋 PZT 層產(chǎn)生的電荷泄漏 ;鎳質量塊是用來降低梁的諧振頻率 ,以實現(xiàn)工作在低頻的環(huán)境 。 

這種懸臂梁結構的制作工藝如圖3。首先 ,在N 型 < 100 > 約 500 μm 厚的硅片上雙面熱氧化生長約 2. 2μm 厚的 SiO2 層。接著 ,在 SiO2 層上先制備 ZrO2 薄膜 , 再利用 sol - gel 技術在其上涂覆PZT 薄膜。在其上依次濺射 Ti 、Pt 。采用 H F 溶液在背面刻蝕出 SiO2 窗口 ,純 Ar 氣體進行離子轟擊使叉指電極圖形化 , PZT 和 ZrO2 層則采用專門的PZT 刻蝕液使其圖形化。然后 ,采用 RIE 工藝正面刻蝕 SiO2 / Si 層。采用專門夾具保護正面 , KO H 溶液刻蝕背面硅。需預留較薄一層硅 ,以防止過刻蝕 。RIE 從背面刻蝕硅直至刻穿釋放出懸臂梁 。最后 ,在梁末端加寬度和懸臂梁一致的 Ni 質量塊。

1、能量收集器應用于環(huán)境

密歇根大學教授開發(fā)出一種能量收集器，通過一種壓電裝置，利用綠花金龜（Green June Beetle）飛行過程中翅膀的震動來發(fā)電，使每只甲蟲輸出的總體電功率達到45毫瓦。機器昆蟲能作為微型飛行器來使用，執(zhí)行搜尋與救援、跟蹤、監(jiān)控危險環(huán)境、探測爆炸物等任務。

能量收集器收集昆蟲飛行過程中翅膀的震動能量

此前收集昆蟲能量的方法包括用熱電偶收集昆蟲體熱，或用共振磁性裝置收集振動能量。但不同甲蟲翅膀震動的頻率有很大不同，同一只甲蟲在不同條件下的震動頻率也不同，所以非共振裝置才能有效收集各種振動產(chǎn)生的能量。

2、能量收集器應用于軍事領域

如今，在國防領域中能量收集器的主要應用于飛機和直升機的健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）。不過，對于民用和軍用市場，HUMS系統(tǒng)都是新興的應用。此外，HUMS微型版本也在研發(fā)之中：用于無人機。

近20年來的使用證明，HUMS系統(tǒng)在直升機的廣泛使用，帶來很大的功效：提高了直升機的安全性，減小了使用維護費用，能防止因操作失誤而引發(fā)的事故。由于HUMS具有故障檢測隔離的作用，現(xiàn)在人們將HUMS視為機械系統(tǒng)的自檢測系統(tǒng)。

HUMS包含各種傳感器用來監(jiān)測直升機或旋翼飛機的外部狀態(tài)。

目的：關鍵組件的診斷和預知（采用加速度計）+ 環(huán)境遙感（溫度讀數(shù)）。

相比傳統(tǒng)的HUMS系統(tǒng)使用有線傳感器，現(xiàn)在的HUMS采用無線電傳輸數(shù)據(jù)的無線傳感器，并利用能量收集器收集轉子旋轉產(chǎn)生的振動能量。

3、能量收集器應用于電力電路

電力電路正在采用一種全新的理念，即能量收集（energy Scavenging）。該技術能夠利用太陽能電池，壓電發(fā)電機、以及其他能量轉換設備來收集能量，然后將其轉換為電能，并存儲在電容器中，以備使用。很多情況下，傳感器電路不需要持續(xù)運行，因此，在傳感器停止工作期間，能量即可以得到補充。

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