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MEMS能量收集器技术和市场
2011-09-07 21:09:31   来源:微迷   评论:0   点击:

得益于MEMS技术和微功耗集成电路技术的发展,未来的能量收集器将具有更小的体积、更低的功耗和更高的集成度。

作者:王懿

MEMS市场工程师

1. 能量收集技术现状

随着无线传感器网络、嵌入式智能结构和可穿戴式健康监测等功耗低、独立工作系统的迅速发展,对于长寿的独立电源供应技术的需求越来越强烈。目前,电池仍然是这类系统的首选电源。但是电池的容量毕竟有限,需要定期更换,对于上述系统的应用带来很大的不便。同时,大量使用电池还会对环境造成危害。近年来兴起的能量收集技术是解决以上问题的有效方案。它利用环境中存在的各种能量,将其转化为电能并存储起来,为电子系统提供电力。这种解决方案的供电寿命理论上取决于组成能量收集 器的电子器件的寿命,没有额外消耗能源,不会有排放,是典型的“绿色”技术。可用于能量收集与转化的环境能量有太阳能、振动机械能、温度梯度等。其中太阳 能的利用已经商业化,其他能源的收集技术仍在研究中。振动机械能使一种存在范围很广的能量形式,尤其在许多人们比较难以进入的地方都有振动源存在,研究振 动能量收集技术具有更普遍的意义。将振动能量转化为电能的方式一般有电磁式、压电式和静电式三种。其中,电磁式的输出电流较大而电压较低,为后续电能管理电路的设计带来的困难;静电式工作时需要额外的电压源,难以实际应用;压电式具有机电转换效率高、输出电压高的优点,因此获得了广泛关注。

目前,已经有多种压电式振动能量收集器的报道,部分是利用传统的压电陶瓷片,部分是利用MEMS和压电薄膜技术研制的微型振动能量收集器。得益于MEMS技术和微功耗集成电路技术的发展,未来的微系统将具有更小的体积、更低的功耗和更高的集成度。因此,研究MEMS技术加工的振动能量收集器将有可能满足未来独立工作微系统的能源供应,同时有可能与其他功能模块集成在一起。

尽管应用于建筑和家庭自动化领域的能量收集器最多,但产出仍然微不足道。目前处于发展/小批量阶段应用的行业是汽车、工业、军事和航空航天;处于“婴儿期”的行业是环境、医疗和消费电子。

不同应用领域中能量收集器的发展现状

图1 不同应用领域中能量收集器的发展现状

2. 能量收集器应用于环境

密歇根大学教授开发出一种能量收集器,通过一种压电装置,利用绿花金龟(Green June Beetle)飞行过程中翅膀的震动来发电,使每只甲虫输出的总体电功率达到45毫瓦。机器昆虫能作为微型飞行器来使用,执行搜寻与救援、跟踪、监控危险环境、探测爆炸物等任务。

 收集昆虫能量

图2 能量收集器收集昆虫飞行过程中翅膀的震动能量 

此前收集昆虫能量的方法包括用热电偶收集昆虫体热,或用共振磁性装置收集振动能量。但不同甲虫翅膀震动的频率有很大不同,同一只甲虫在不同条件下的震动频率也不同,所以非共振装置才能有效收集各种振动产生的能量。

3. 能量收集器应用于军事领域

如今,在国防领域中能量收集器的主要应用于飞机和直升机的健康和使用监控系统(HUMS)。不过,对于民用和军用市场,HUMS系统都是新兴的应用。此外,HUMS微型版本也在研发之中:用于无人机。

近20年来的使用证明,HUMS系统在直升机的广泛使用,带来很大的功效:提高了直升机的安全性,减小了使用维护费用,能防止因操作失误而引发的事故。由于HUMS具有故障检测隔离的作用,现在人们将HUMS视为机械系统的自检测系统。

HUMS包含各种传感器用来监测直升机或旋翼飞机的外部状态。

目的:关键组件的诊断和预知(采用加速度计)+ 环境遥感(温度读数)。

相比传统的HUMS系统使用有线传感器,现在的HUMS采用无线电传输数据的无线传感器,并利用能量收集器收集转子旋转产生的振动能量。

4. 能量收集器应用于电力电路

电力电路正在采用一种全新的理念,即能量收集(energy Scavenging)。该技术能够利用太阳能电池,压电发电机、以及其他能量转换设备来收集能量,然后将其转换为电能,并存储在电容器中,以备使用。很多情况下,传感器电路不需要持续运行,因此,在传感器停止工作期间,能量即可以得到补充。

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