高性能静电式MEMS振动能量收集器
2013-07-05 18:11:19   来源：微迷   评论：0   点击：

IMEC和松下联合研发了一款基于波纹状SiO2-Si3N4驻极体的新型MEMS振动能量收集器。该器件仅有1cm²大小，为汽车胎压监测系统（TPMS）开发。当发生正弦振动时，它的最大发电功率为160μW。如应用于汽车轮胎中，其发电功率大概为10~50μW，这可以满足TPMS模块供电需求。这款能量收集器论文发表于第十七届固态传感器、执行器和微系统国际会议中（巴塞罗那）。

图1 新型MEMS振动能量收集器的设计

为了提高道路行车安全，美国和欧盟已经强制汽车安装TPMS。对于用户来说，希望TPMS经济耐用，并且在轮胎的使用寿命期内不需要更换电池。由于汽车行驶时，安装在轮胎里的TPMS处于持续的机械振动状态，所以一个潜在的解决方案就是使用振动能量收集以解决电池问题。采用MEMS技术生产的静电式能量收集器不仅可以实现机械能转换为电能，还能降低生产成本、提高可靠性。

该能量收集器采用三个晶圆堆叠键合的方式制造，中间的晶圆包含一个由质量块和弹簧组成的硅基机械谐振器，质量块底部有波纹状SiO2-Si3N4驻极体。下方的玻璃晶圆包含两个金属电极，连接到一个负载电路上。上方的玻璃晶圆用来做密封帽（可实现真空封装），以保护器件。

当能量收集器受到外部振动时，质量块产生相对运动，最终进入谐振状态，并且由固定电荷的驻极体产生的电场诱导下方晶圆上的两个电极充电。各电极上反向充电的量等于穿过其表面的电位移磁通量。当质量块携带驻极体一起运动时，间隙中的电场发生改变，引起电极间的充电，从而使得电流在连接两个电极的负载电路中流动。