從以太中提取能量并為輕便系統(tǒng)供電的采集器

　　開發(fā)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(jīng)開發(fā)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(xiàn)達到5mW。在這個功率級上，仍然可以運行血氧定量計，當(dāng)然測量循環(huán)要低得多。項目總監(jiān)Bert Gyselinckx建議，系統(tǒng)可以每小時測量數(shù)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(fā)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(gòu)建一個基于MEMS的單片TEG。據(jù)Gyselinckx 說，模型顯示這種設(shè)計可以提供30mW。兩種計劃中的單片設(shè)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(jīng)能在很多 CMOS 線上生產(chǎn)，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(yīng)用和其它類型采集器的開發(fā)。Gyselinckx 相信在助聽領(lǐng)域?qū)霈F(xiàn)其它醫(yī)療設(shè)備，甚至是植入人體的醫(yī)療設(shè)備。他說：“人體內(nèi)存在一些熱梯度。”

　　Gyselinckx 還指出了在工業(yè)和工廠設(shè)置中的潛在應(yīng)用。在工廠中部署熱能采集器的設(shè)計者會發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)線而增加監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)采集器和無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。
　　關(guān)于其它采集技術(shù)，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(dǎo)體制造技術(shù)實現(xiàn)采集器。在靜電方案中，研究者希望采用MEMS技術(shù)和多個晶圓。出現(xiàn)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(shù)。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(fā)電機（參考文獻2）。

　　當(dāng)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的問題。這就是Holst構(gòu)建一個終端設(shè)備的原因之一。在Holst網(wǎng)站上可以看到DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計細節(jié)，以及血氧定量計的詳情。

　　同樣，EnOcean的很多工作也是在系統(tǒng)級，如無線網(wǎng)絡(luò)。該公司將自己的無線網(wǎng)絡(luò)選擇在 868.3MHz 頻段，在此頻段，它可以用調(diào)幅作短數(shù)據(jù)包突發(fā)傳輸，并滿足全世界管理機構(gòu)的要求。公司稱在 50mW 功率下，該技術(shù)可以在 300m 范圍內(nèi)傳輸信號。

　　設(shè)計者在能量采集設(shè)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(guān)注極低功耗 MOSFET 市場，現(xiàn)在希望將這些專業(yè)知識用于能量采集應(yīng)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(xiàn)在計劃一個模塊系列，針對使用低功耗 MOSFET 的能量采集應(yīng)用。

　　據(jù)ALD首席執(zhí)行官Bob Chao稱，使采集器運行在實際應(yīng)用中的關(guān)鍵是監(jiān)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(wù)。圖1的簡圖指出了Chao所說的觀點。必須有一些電路不斷監(jiān)控能量采集器的存儲，這就是ALD技術(shù)起作用的地方。

　　Chao稱ALD將在2007年初推出三款用于振動設(shè)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(jù)不同振動環(huán)境，也許數(shù)小時一次。這個能量將適合 Zigbee 應(yīng)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(dāng)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(shù)。通過的汽車會產(chǎn)生振動。但 Chao 沒有提到現(xiàn)在使用的設(shè)備的名稱，因為 ALD 只是將此技術(shù)提供給合同商。

　　盡管今天的大多數(shù)能量采集技術(shù)還處于原型階段，但顯然在今后幾年內(nèi)，將會出現(xiàn)一些實際應(yīng)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(fā)基于振動的采集器，面向軍隊?wèi)?yīng)用。設(shè)計者面對的挑戰(zhàn)將是采集技術(shù)與一個具有強大吸引力產(chǎn)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(fā)商們在改進電池化學(xué)性質(zhì)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(yīng)的能量密度。因此，研究者們繼續(xù)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(dǎo)了燃料電池技術(shù)，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(fā)表過最新報導(dǎo)（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(tǒng)）技術(shù)，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中制成的燃料電池。但今年 EDN 報導(dǎo)說這種微燃料電池看來不會用于主流應(yīng)用，如手機（參考文獻 B）。

　　但是，這篇有關(guān)能量采集的文章關(guān)注的是那些合適的應(yīng)用，它可以從這種采用 MEMS 工藝構(gòu)建的小型引擎獲得某種潛在優(yōu)勢。

　　DARPA（美國國防先進技術(shù)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(shù)學(xué)院 Microsystems 技術(shù)實驗室正在一個芯片上構(gòu)建一個真正的氣體渦輪引擎。同樣，MEMS 技術(shù)是關(guān)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.