新型MEMS能量采集器将促进物联网时代的发展

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新型MEMS能量采集器将促进物联网时代的发展
麻省理工科技评论 2019-02-11

2019-02-11

如今,电子设备的体积越来越小。
能源 科学
如今,电子设备的体积越来越小。

据Nanowerk 1月28日报道,东京工业大学的科学家研发出一种微型能量采集器,其设计过程更加灵活多变。这种由外置驻极体提供电能的MEMS振动能量采集器,对未来物联网应用的发展至关重要。该采集器将在2019年第32届国际微电子机械系统(MEMS)技术及应用展览会上展出。

如今,电子设备的体积越来越小。在即将到来的物联网时代中,通过微型传感器可以研发出在科幻小说中才有的科技应用。然而,微电子设备的运行依旧需要电能,其运行电力主要来自微机电系统(MEMS)对机械振动等环境能量的收集。

图1|传统的MEMS能量采集器(图片来源:Tokyo Institute of Technology)


如图1所示,传统的MEMS能量采集器将驻极体(在强外电场等因素作用下,极化并能“永久”保持极化状态的电介质)置于MEMS电容器中,该电容器中有一个借助环境能量驱动的移动电极,从而引起电荷的移动。但是,驻极体和MEMS组件的制造工艺必须相互兼容,其设计和制造具有很大的局限性。

东京工业大学的助理教授Daisuke Yamane及其科研团队研发出一种新型MEMS能量采集器。它由两个独立的晶片组成:一个是MEMS可调电容器,另一个是由驻极体和介电材料组成的电容器(图1)。

Yamane教授说:“该技术首次实现了驻极体和MEMS组件的分离。”

图2|新型MEMS能量采集器的采集原理(图片来源:Tokyo Institute of Technology)


新型MEMS能量采集器的采集原理如图2所示。驻极体电路的电容是固定的(Cfix),而MEMS可调电容器(CM)的电容根据弹簧的拉伸(由外部振动引起)而变化。

当CM变得高于Cfix时,将引起电荷移动并且可调电容器获得电荷。同样地,当Cfix较高时,电荷沿相反方向移动,并且驻极体电路中的电容器获得电荷。

图3|系统电路图与输出电压(图片来源:Tokyo Institute of Technology)


电荷的移动产生了可用电力。图3的左侧是芯片的构造及装置简化图,右侧表示采集器产生的电压。

Yamane教授道:“新型能量采集器将驻极体与MEMS组件分离,提高了设计和制造的灵活性。该技术便于工程师的设计和制造MEMS能量采集器,这将促进物联网时代的发展。”

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