日本科学家研发一种新型MEMS能量采集器

shuszhao

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。”

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