MicroGen壓電MEMS振動(dòng)能量收集器實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

MicroGen Systems 公司 (下稱(chēng)“MicroGen”) 近日于美國(guó)伊利諾伊州羅斯蒙特舉辦的“Sensors Expo and Conference” 展覽會(huì)上宣布：振動(dòng)能量收集 BOLT Power Cell (見(jiàn)圖 1) 實(shí)現(xiàn)了一款實(shí)時(shí)無(wú)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(dòng)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(gè)超級(jí)電容器或一個(gè)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(chǔ)能容量。

凌力爾特 WSN 包括 4 個(gè)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(dòng)級(jí)和 0.2g (g = 9.8 m/s2) 加速度 G 級(jí)的電子振動(dòng)器使能。MicroGen 把這種由振動(dòng)提供電能的微塵擺放在凌力爾特的展臺(tái)和 X-FAB MEMS Foundry 的展臺(tái)。這些微塵距離 MicroGen 的展臺(tái)大約 20~30 米。這是由一家商業(yè)公司完成首個(gè)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(gè)小型半導(dǎo)體 MEMS 芯片，其采用類(lèi)似于計(jì)算機(jī)芯片行業(yè)的工藝進(jìn)行制造。該芯片是一個(gè)面積約為 1.0cm2 的壓電式 MEMS MPG，其包括一個(gè)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(dòng)力的原因而上下彎曲時(shí)，將產(chǎn)生交流 (AC) 電。在諧振時(shí) AC 功率輸出達(dá)到最大，此時(shí)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(shí)，可將 AC 高效地轉(zhuǎn)換為 DC。在采集了能量之后，將其暫時(shí)存儲(chǔ)在一個(gè) 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(lái)實(shí)現(xiàn)許多不同制造商的無(wú)線傳感器微塵。

最低限度，BOLT Power Cell 就是一個(gè)電池替換部件，其采用了振動(dòng)能量，而不是利用對(duì)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(zhǎng)這些電池的壽命，在此類(lèi)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(fèi)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(duì)于低加速度的 G 級(jí)是非常敏感的。在某一特定的工業(yè)特征頻率下，當(dāng) G 級(jí) <0.1~0.5g (取決于頻率) 時(shí) 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(jì)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(shí)現(xiàn)自供電型 SmartMesh 無(wú)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(jì)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。”

MicroGen 的首席執(zhí)行官 Robert Andosca 表示，“能夠展示一款可實(shí)現(xiàn)凌力爾特 SmartMesh 無(wú)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(wú)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(gè)產(chǎn)品實(shí)例，其具有一個(gè)基于商用 MEMS 的能量收集發(fā)電機(jī)組件。”

MicroGen 在 6 月的傳感器博覽會(huì)上推出了它們的 BOLT 產(chǎn)品線。MicroGen 計(jì)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(chǔ)容量，則可利用 (a) 22mF Panasoic 超級(jí)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(lái)提供插入式 BOLT Energy Cell。請(qǐng)登錄 BOLT 產(chǎn)品網(wǎng)頁(yè)，該網(wǎng)頁(yè)包含了至所有 MicroGen 產(chǎn)品數(shù)據(jù)表的鏈接。