MicroGen壓電MEMS振動能量收集器實現無線傳感器網絡
2013-07-04 19:20:59 本站原創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) 實現了一款實時無線傳感器網絡 (WSN)，其采用凌力爾特 (Linear Technology) 公司的 Dust Networks LTC5800-IPM SmartMesh IP 片內微塵 。凌力爾特微塵由 MicroGen 的壓電式微機電系統 (壓電式 MEMS) 振動能量收集器或微功率發電機 (MPG) 技術進行供電。
圖 1：圖中所示為基于 MicroGen 壓電 MEMS 的微功率 AC 發電機，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。自供電式微塵由設定在 120Hz 典型工業振動級和 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。這是由一家商業公司完成首個全采用 MEMS 能量收集進行供電的 WSN。
在 MicroGen 公司 BOLT Power Cell 的內部是一個小型半導體 MEMS 芯片，其采用類似于計算機芯片行業的工藝進行制造。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量加載微懸臂。當 MPG 的懸臂由于外部振動力的原因而上下彎曲時，將產生交流 (AC) 電。在諧振時 AC 功率輸出達到最大，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 轉換器時，可將 AC 高效地轉換為 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)，具體數值取決于配置和頻率。BOLT Power Cell 可用來實現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，而不是利用對環境有害的材料所產生之化學能源。目的是免除 WSN 工業和建筑應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。在某一特定的工業特征頻率下，當 G 級 <0.1~0.5g (取決于頻率) 時 Power Cell 將使能附接的 WS 微塵。在量產的情況下，MPG 和 Power Cell 的生產成本估計分別為 0.50 美元和 1.00 美元左右。
凌力爾特 Dust Networks 產品組總裁 Joy Weiss 指出：“看到MicroGen 為實現自供電型 SmartMesh 無線傳感器所取得的能量收集技術進步，我感到十分高興。”
凌力爾特公司波士頓設計中心總監 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 壓電轉換器整合在一起，這是可為WSN 應用有效地產生DC 電流的完美搭配。”
MicroGen 的首席執行官 Robert Andosca 表示，“能夠展示一款可實現凌力爾特 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。我們的目標是提供具備可被目前市面上所有無線傳感器產品所使用的一種壓電式 MEMS 收集器。我們的 BOLT Power Cell 是達到這一目標的首個產品實例，其具有一個基于商用 MEMS 的能量收集發電機組件。”
MicroGen 在 6 月的傳感器博覽會上推出了它們的 BOLT 產品線。MicroGen 計劃于 2013 年夏季末宣布其產品的供貨情況。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 產品網頁，該網頁包含了至所有 MicroGen 產品數據表的鏈接。
