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日本科学家研发新型MEMS能量收集器,利用机械振动等环境能源运行

2019年02月10日 09:01 次阅读
据麦姆斯咨询报道,东京工业大学的科学家开发出了一种新型MEMS能量收集器,与传统的将整个系统包含在单芯片中的驻极体MEMS能量收集器不同,该方案将驻极体和MEMS可调电容放在了不同的芯片中,从而使设计更自由更灵活,这对未来的物联网应用至关重要。 如今,我们身边的电子设备正在变得越来越小。在即将到来的物联网(IoT)时代,微型传感器的应用,可以使我们开发出仅在科幻小说中出现过的应用。不过,这些微电子器件仍然需要电力才能运行,可以通过使用MEMS能量收集器,使这些微型器件通过利用机械振动等环境能量来运行。 如上图所示,传统的MEMS能量收集器在MEMS可调电容器中安置驻极体,该电容器具有可被环境力推动的移动电极,从而引起电荷的移动。不过,这种设计存在很大限制,因为驻极体和MEMS组件的制造工艺必须兼容。 为此,东京工业大学助理教授Daisuke Yamane及其研究团队提出了一种新的基于MEMS驻极体的能量收集器,它由两个独立的芯片组成:一个MEMS可调电容器,另一个包含驻极体和介电材料以形成另一个电容器(如下图所示)。“这使我们能够首次将MEMS结构和驻极体在物理上分开,”Yamane表示。 东京工业大学所提出的能量收集器的运行原理:当可调电容器的电容高于驻极体电路时,引起电荷向一个方向移动;同样,当情况相反时,在相反方向上引起电荷移动。 这款能量收集器的运行机制如上图所示。驻极体电路的电容是固定的(Cfix),而MEMS可调电容器(CM)的电容根据弹簧的拉伸而变化(由外部振动引起)。当CM变得高于Cfix时,引起电荷移动,可调电容器获得电荷;同样,当Cfix更高时,电荷沿相反方向移动,从而使驻极体电路中的电容器获得电荷。 上图显示了能量收集系统的图片和测量的电压输出。其中,左图显示了所设计芯片的图片和简化图,可以看到MEMS可调电容器的梳状结构;右图测量的电压输出表明系统可以有效地收集机械振动能量。 电荷的移动代表了可以收集利用的电能。“本研究所提出的方案可以提高MEMS结构和驻极体的设计和制造灵活性,”Yamane总结称,“更自由更灵活的设计空间解放了工程师的设计限制,将加速物联网时代的到来。”

本文来自麦姆斯咨询微信号,作者:殷飞,本文作为转载分享。
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