作者：王懿

MEMS市場工程師

1. 能量收集技術現(xiàn)狀

隨著無線傳感器網(wǎng)絡、嵌入式智能結構和可穿戴式健康監(jiān)測等功耗低、獨立工作系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對于長壽的獨立電源供應技術的需求越來越強烈。目前，電池仍然是這類系統(tǒng)的首選電源。但是電池的容量畢竟有限，需要定期更換，對于上述系統(tǒng)的應用帶來很大的不便。同時，大量使用電池還會對環(huán)境造成危害。近年來興起的能量收集技術是解決以上問題的有效方案。它利用環(huán)境中存在的各種能量，將其轉化為電能并存儲起來，為電子系統(tǒng)提供電力。這種解決方案的供電壽命理論上取決于組成能量收集 器的電子器件的壽命，沒有額外消耗能源，不會有排放，是典型的“綠色”技術。可用于能量收集與轉化的環(huán)境能量有太陽能、振動機械能、溫度梯度等。其中太陽 能的利用已經(jīng)商業(yè)化，其他能源的收集技術仍在研究中。振動機械能使一種存在范圍很廣的能量形式，尤其在許多人們比較難以進入的地方都有振動源存在，研究振 動能量收集技術具有更普遍的意義。將振動能量轉化為電能的方式一般有電磁式、壓電式和靜電式三種。其中，電磁式的輸出電流較大而電壓較低，為后續(xù)電能管理電路的設計帶來的困難；靜電式工作時需要額外的電壓源，難以實際應用；壓電式具有機電轉換效率高、輸出電壓高的優(yōu)點，因此獲得了廣泛關注。

目前，已經(jīng)有多種壓電式振動能量收集器的報道，部分是利用傳統(tǒng)的壓電陶瓷片，部分是利用MEMS和壓電薄膜技術研制的微型振動能量收集器。得益于MEMS技術和微功耗集成電路技術的發(fā)展，未來的微系統(tǒng)將具有更小的體積、更低的功耗和更高的集成度。因此，研究MEMS技術加工的振動能量收集器將有可能滿足未來獨立工作微系統(tǒng)的能源供應，同時有可能與其他功能模塊集成在一起。

盡管應用于建筑和家庭自動化領域的能量收集器最多，但產(chǎn)出仍然微不足道。目前處于發(fā)展/小批量階段應用的行業(yè)是汽車、工業(yè)、軍事和航空航天；處于“嬰兒期”的行業(yè)是環(huán)境、醫(yī)療和消費電子。

圖1 不同應用領域中能量收集器的發(fā)展現(xiàn)狀

2. 能量收集器應用于環(huán)境

密歇根大學教授開發(fā)出一種能量收集器，通過一種壓電裝置，利用綠花金龜（Green June Beetle）飛行過程中翅膀的震動來發(fā)電，使每只甲蟲輸出的總體電功率達到45毫瓦。機器昆蟲能作為微型飛行器來使用，執(zhí)行搜尋與救援、跟蹤、監(jiān)控危險環(huán)境、探測爆炸物等任務。

圖2 能量收集器收集昆蟲飛行過程中翅膀的震動能量

此前收集昆蟲能量的方法包括用熱電偶收集昆蟲體熱，或用共振磁性裝置收集振動能量。但不同甲蟲翅膀震動的頻率有很大不同，同一只甲蟲在不同條件下的震動頻率也不同，所以非共振裝置才能有效收集各種振動產(chǎn)生的能量。

3. 能量收集器應用于軍事領域

如今，在國防領域中能量收集器的主要應用于飛機和直升機的健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）。不過，對于民用和軍用市場，HUMS系統(tǒng)都是新興的應用。此外，HUMS微型版本也在研發(fā)之中：用于無人機。

近20年來的使用證明，HUMS系統(tǒng)在直升機的廣泛使用，帶來很大的功效：提高了直升機的安全性，減小了使用維護費用，能防止因操作失誤而引發(fā)的事故。由于HUMS具有故障檢測隔離的作用，現(xiàn)在人們將HUMS視為機械系統(tǒng)的自檢測系統(tǒng)。

HUMS包含各種傳感器用來監(jiān)測直升機或旋翼飛機的外部狀態(tài)。

目的：關鍵組件的診斷和預知（采用加速度計）+ 環(huán)境遙感（溫度讀數(shù)）。

相比傳統(tǒng)的HUMS系統(tǒng)使用有線傳感器，現(xiàn)在的HUMS采用無線電傳輸數(shù)據(jù)的無線傳感器，并利用能量收集器收集轉子旋轉產(chǎn)生的振動能量。

4. 能量收集器應用于電力電路

電力電路正在采用一種全新的理念，即能量收集（energy Scavenging）。該技術能夠利用太陽能電池，壓電發(fā)電機、以及其他能量轉換設備來收集能量，然后將其轉換為電能，并存儲在電容器中，以備使用。很多情況下，傳感器電路不需要持續(xù)運行，因此，在傳感器停止工作期間，能量即可以得到補充。