一種微型能量采集器，其設(shè)計(jì)過程更加靈活多變

據(jù) Nanowerk 近日?qǐng)?bào)道，東京工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家研發(fā)出一種微型能量采集器，其設(shè)計(jì)過程更加靈活多變。這種由外置駐極體提供電能的 MEMS 振動(dòng)能量采集器，對(duì)未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展至關(guān)重要。該采集器將在 2019 年第 32 屆國(guó)際微電子機(jī)械系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)及應(yīng)用展覽會(huì)上展出。

如今，電子設(shè)備的體積越來越小。在即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(yīng)用。然而，微電子設(shè)備的運(yùn)行依舊需要電能，其運(yùn)行電力主要來自微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）對(duì)機(jī)械振動(dòng)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(qiáng)外電場(chǎng)等因素作用下，極化并能“永久”保持極化狀態(tài)的電介質(zhì)）置于 MEMS 電容器中，該電容器中有一個(gè)借助環(huán)境能量驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)電極，從而引起電荷的移動(dòng)。但是，駐極體和 MEMS 組件的制造工藝必須相互兼容，其設(shè)計(jì)和制造具有很大的局限性。

東京工業(yè)大學(xué)的助理教授 Daisuke Yamane 及其科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型 MEMS 能量采集器。它由兩個(gè)獨(dú)立的晶片組成：一個(gè)是MEMS 可調(diào)電容器，另一個(gè)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(shù)首次實(shí)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(diào)電容器（CM）的電容根據(jù)彈簧的拉伸（由外部振動(dòng)引起）而變化。

當(dāng) CM 變得高于 Cfix 時(shí)，將引起電荷移動(dòng)并且可調(diào)電容器獲得電荷。同樣地，當(dāng) Cfix 較高時(shí)，電荷沿相反方向移動(dòng)，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(dòng)產(chǎn)生了可用電力。圖 3 的左側(cè)是芯片的構(gòu)造及裝置簡(jiǎn)化圖，右側(cè)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(shè)計(jì)和制造的靈活性。該技術(shù)便于工程師的設(shè)計(jì)和制造 MEMS 能量采集器，這將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展?！?/p>