MicroGen壓電MEMS振動能量收集器實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

MicroGen Systems 公司 (下稱“MicroGen”) 近日于美國伊利諾伊州羅斯蒙特舉辦的“Sensors Expo and Conference” 展覽會上宣布：振動能量收集 BOLT Power Cell (見圖 1) 實現(xiàn)了一款實時無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)，其采用凌力爾特 (Linear Technology) 公司的 Dust Networks LTC5800-IPM SmartMesh IP 片內(nèi)微塵 。凌力爾特微塵由 MicroGen 的壓電式微機(jī)電系統(tǒng) (壓電式 MEMS) 振動能量收集器或微功率發(fā)電機(jī) (MPG) 技術(shù)進(jìn)行供電。

圖 1：圖中所示為基于 MicroGen 壓電 MEMS 的微功率 AC 發(fā)電機(jī)，Power Cell (9V 電池外形) 具有 3.3V DC 輸出，以及采用一個超級電容器或一個可再充電電池 (可使用固態(tài)電池或鋰離子幣形電池) 的插入式 Energy Cell 以提供附加的儲能容量。

凌力爾特 WSN 包括 4 個微塵，并采用了高效功率受控型通信的 WSN 軟件。自供電式微塵由設(shè)定在 120Hz 典型工業(yè)振動級和 0.2g (g = 9.8 m/s2) 加速度 G 級的電子振動器使能。MicroGen 把這種由振動提供電能的微塵擺放在凌力爾特的展臺和 X-FAB MEMS Foundry 的展臺。這些微塵距離 MicroGen 的展臺大約 20~30 米。這是由一家商業(yè)公司完成首個全采用 MEMS 能量收集進(jìn)行供電的 WSN。

在 MicroGen 公司 BOLT Power Cell 的內(nèi)部是一個小型半導(dǎo)體 MEMS 芯片，其采用類似于計算機(jī)芯片行業(yè)的工藝進(jìn)行制造。該芯片是一個面積約為 1.0cm2 的壓電式 MEMS MPG，其包括一個含有壓電式薄膜的末端質(zhì)量加載微懸臂。當(dāng) MPG 的懸臂由于外部振動力的原因而上下彎曲時，將產(chǎn)生交流 (AC) 電。在諧振時 AC 功率輸出達(dá)到最大，此時其大約為 100μW (在 120Hz 和 ≥ 0.1g) 和 900μW (在 600Hz 和 ≥0.5g)。

采用凌力爾特的 LTC3588-1 壓電式能量收集 AC 至 DC 轉(zhuǎn)換器時，可將 AC 高效地轉(zhuǎn)換為 DC。在采集了能量之后，將其暫時存儲在一個 300μF 的電容器中。Power Cell 的功率輸出范圍介于 25μW 至 500μW 之間 (在 3.3V DC 電壓下)，具體數(shù)值取決于配置和頻率。BOLT Power Cell 可用來實現(xiàn)許多不同制造商的無線傳感器微塵。

最低限度，BOLT Power Cell 就是一個電池替換部件，其采用了振動能量，而不是利用對環(huán)境有害的材料所產(chǎn)生之化學(xué)能源。目的是免除 WSN 工業(yè)和建筑應(yīng)用中的主電池或可再充電電池，或延長這些電池的壽命，在此類應(yīng)用中，若要在安裝好的WSN 中以人工方式頻繁更換電池，這非常耗費成本。Power Cell 將在介于 100Hz 至 1500Hz 的 50 / 60Hz 諧波下提供。MicroGen 的 MPG 和 Power Cell 對于低加速度的 G 級是非常敏感的。在某一特定的工業(yè)特征頻率下，當(dāng) G 級 0.1~0.5g (取決于頻率) 時 Power Cell 將使能附接的 WS 微塵。在量產(chǎn)的情況下，MPG 和 Power Cell 的生產(chǎn)成本估計分別為 0.50 美元和 1.00 美元左右。

凌力爾特 Dust Networks 產(chǎn)品組總裁 Joy Weiss 指出：“看到MicroGen 為實現(xiàn)自供電型 SmartMesh 無線傳感器所取得的能量收集技術(shù)進(jìn)步，我感到十分高興。”

凌力爾特公司波士頓設(shè)計中心總監(jiān) Sam Nork 表示：“在MicroGen的演示中，將其壓電式采集芯片與凌力爾特的 LTC3588 壓電轉(zhuǎn)換器整合在一起，這是可為WSN 應(yīng)用有效地產(chǎn)生DC 電流的完美搭配?！?/P>

MicroGen 的首席執(zhí)行官 Robert Andosca 表示，“能夠展示一款可實現(xiàn)凌力爾特 SmartMesh 無線微塵的低成本能量收集器解決方案，我們感到非常欣喜。我們的目標(biāo)是提供具備可被目前市面上所有無線傳感器產(chǎn)品所使用的一種壓電式 MEMS 收集器。我們的 BOLT Power Cell 是達(dá)到這一目標(biāo)的首個產(chǎn)品實例，其具有一個基于商用 MEMS 的能量收集發(fā)電機(jī)組件?！?/P>

MicroGen 在 6 月的傳感器博覽會上推出了它們的 BOLT 產(chǎn)品線。MicroGen 計劃于 2013 年夏季末宣布其產(chǎn)品的供貨情況。最初，MicroGen 將提供 100Hz、120Hz 和 600Hz 的 MPG 和 BOLT Power Cell。如需獲得額外的能量存儲容量，則可利用 (a) 22mF Panasoic 超級電容器、(b) 50μA-hr Cymbet Corporation固態(tài)電池、以及 (c) 7.0mA-hr Panasonic 可再充電幣形電池來提供插入式 BOLT Energy Cell。請登錄 BOLT 產(chǎn)品網(wǎng)頁，該網(wǎng)頁包含了至所有 MicroGen 產(chǎn)品數(shù)據(jù)表的鏈接。