一種微型能量采集器，其設計過程更加靈活多變

據(jù) Nanowerk 近日報道，東京工業(yè)大學的科學家研發(fā)出一種微型能量采集器，其設計過程更加靈活多變。這種由外置駐極體提供電能的 MEMS 振動能量采集器，對未來物聯(lián)網(wǎng)應用的發(fā)展至關重要。該采集器將在 2019 年第 32 屆國際微電子機械系統(tǒng) (MEMS) 技術及應用展覽會上展出。

如今，電子設備的體積越來越小。在即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時代中，通過微型傳感器可以研發(fā)出在科幻小說中才有的科技應用。然而，微電子設備的運行依舊需要電能，其運行電力主要來自微機電系統(tǒng)（MEMS）對機械振動等環(huán)境能量的收集。

圖1 | 傳統(tǒng)的 MEMS 能量采集器（圖片來源:Tokyo Institute of Technology）

如圖 1 所示，傳統(tǒng)的 MEMS 能量采集器將駐極體（在強外電場等因素作用下，極化并能“永久”保持極化狀態(tài)的電介質）置于 MEMS 電容器中，該電容器中有一個借助環(huán)境能量驅動的移動電極，從而引起電荷的移動。但是，駐極體和 MEMS 組件的制造工藝必須相互兼容，其設計和制造具有很大的局限性。

東京工業(yè)大學的助理教授 Daisuke Yamane 及其科研團隊研發(fā)出一種新型 MEMS 能量采集器。它由兩個獨立的晶片組成：一個是MEMS 可調電容器，另一個是由駐極體和介電材料組成的電容器（下圖 ）。

Yamane 教授說：“該技術首次實現(xiàn)了駐極體和 MEMS 組件的分離。”

圖2 | 新型 MEMS 能量采集器的采集原理（圖片來源：Tokyo Institute of Technology）

新型 MEMS 能量采集器的采集原理如圖 2 所示。駐極體電路的電容是固定的（Cfix），而 MEMS 可調電容器（CM）的電容根據(jù)彈簧的拉伸（由外部振動引起）而變化。

當 CM 變得高于 Cfix 時，將引起電荷移動并且可調電容器獲得電荷。同樣地，當 Cfix 較高時，電荷沿相反方向移動，并且駐極體電路中的電容器獲得電荷。

圖3 |系統(tǒng)電路圖與輸出電壓（圖片來源：Tokyo Institute of Technology）

電荷的移動產(chǎn)生了可用電力。圖 3 的左側是芯片的構造及裝置簡化圖，右側表示采集器產(chǎn)生的電壓。

Yamane 教授道：“新型能量采集器將駐極體與 MEMS 組件分離，提高了設計和制造的靈活性。該技術便于工程師的設計和制造 MEMS 能量采集器，這將促進物聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展。”