要 點
熱、振動和射頻都是潛在的能源,，采集器可以將它們轉(zhuǎn)換到微瓦功率量級,。
采集器通常要儲存能量供偶發(fā)性使用，設計時必須在能夠偶爾工作的低功耗系統(tǒng)中包含這一部分,。
設計通常要將能量采集與可以利用偶發(fā)低功耗源優(yōu)點的應用聯(lián)系起來,。
世上沒有免費的午餐，你的父母可能是這么教你的,。當然,，我們不可能從稀薄的空氣中取得能量，是嗎,？但事實上,，人體、工廠機器,、各種型號的收音機,，以及很多其它東西都在以熱、振動或射頻電波形式輻射能量,。設計者可以發(fā)明一些系統(tǒng),，提取這些零星的能量,，并轉(zhuǎn)換用于電源系統(tǒng)，當然是極低功率的產(chǎn)品,。你不會很快看到由以太供電的手機,，但可能的現(xiàn)實應用包括便攜醫(yī)療監(jiān)控儀，甚至家庭自動化設備,。
能量采集或提取并不僅是為了節(jié)省金錢,，它還能促進有吸引力的新應用。技術行業(yè)中有遠見的人有時會談到一個時代,，那時我們的生活到處都嵌入了微處理器,。借用德州儀器公司（TI）首席研究員 Gene Frantz 在我們 50 周年紀念刊上的一段話：“差不多可以說我們正處在產(chǎn)品消失的道路上，那時產(chǎn)品將變得如此之小,，體積已經(jīng)無足輕重,，但是功能卻非常強大，我們實際上不知道它在哪里,，而只知道擁
有它,。”很容易想象，很多這類基于微處理器的裝置在我們身邊,，以及在智能電燈開關或溫度計內(nèi),。
可以認為，微控制器已經(jīng)滲入了我們的生活,。Microchip 首席執(zhí)行官 Steve Sanghi 認為：“當你早上醒來,，你接觸的第一件東西就是鬧鐘，然后可能是電動剃須刀,、吹風機,、攪拌機、冰箱……當你離開家時,，你已經(jīng)使用了大量微控制器,。然后你坐進汽車里，車上有40種 ~ 50種微控制器,，為你增加安全,、舒適、便利和娛樂,。”Sanghi 指出,，微控制器監(jiān)控著高速公路交通，而在工作中,，我們還會面對無數(shù)其它設備,。
今天，一個交流電源或電池可以方便地為所有這些設備提供電能,。但下一步,，當處理器嵌入到紡織品,、墻面、橋梁等所有地方時,，就需要電池的一種替代品,，或者至少要有一種共生技術，它可以從以太中為電池充電,，從而大大擴展電池的使用壽命,。答案就是本文討論的能量采集器，或某種新式小型燃料發(fā)電機（見附文“芯片上有引擎嗎,？”）,。
正如 TI 公司 Frantz 所指出，采集能量并不新鮮,。太陽能是一個已經(jīng)實現(xiàn)了許多年的例子,。Franz 說 TI 的太陽能手表和計算器已有很長歷史。這些產(chǎn)品使用的電池可以用太陽能板進行充電,。精工(Seiko)還銷售一種手表,，它通過人體熱能供電。
還有一些制造商提供的使能技術實例,，設計者能夠以某種方式獲取能量。從參考文獻1中可以找到過去的技術報道和一些產(chǎn)品實例,，例如,，本文便涉及EnOcean的兩款產(chǎn)品，它們可以用于家庭或建筑自動化設備,。
EnOcean提供一種開關,，主要用于照明控制，不過也可以用于控制電動窗簾,、風扇,，或其它在家庭或辦公室內(nèi)有墻面開關的設備?；井a(chǎn)品是ECO 100模塊,，公司稱之為一個“電動力”采集器。該模塊采用一個線圈和磁鐵,，兩者共同將線性運動轉(zhuǎn)換為能量,。尤其特別的是，一個人按開關的動作就會產(chǎn)生一個突變的能量,，因為螺線管會改變流經(jīng)線圈的磁通量,。公司以前為相同應用提供過一種壓電式采集器，但稱新設計效率更高,。
EnOcean 將 ECO 100 捆綁在 PTM 200 開關模塊內(nèi),，公司正在照明和其它應用中銷售該產(chǎn)品,。當你按下照明開關時（圖2），采集器產(chǎn)生足夠的能量,，激活 PTM 200 上的一個處理器和無線電,，然后向接收器發(fā)送三個短的重復消息包。你可以將接收器集成在照明裝置中,，而過去你會用電線連接交流電源和照明裝置,。墻面開關既不需要接線，也不需要電池,。接收器使用交流電源工作,。
EnOcean 的銷售與營銷副總裁 Jim O'allaghan 稱，與照明控制中的其它多數(shù)嘗試不同,，采集器方案具有經(jīng)濟意義,，盡管一個開關的設計遠比普通直接切換交流電源的墻面開關復雜。O'allaghan 稱,，因為不必往開關布放交流電線,，這樣節(jié)省的費用將能抵銷開關和集成在裝置中接收器的較高成本。
O'allaghan 說,，PTM200的售價根據(jù)批量從10美元~20美元,，完成的照明開關大約要50美元（單件）。你可以從 Ad Hoc Electronics 公司購買家用開關,。Ad Hoc 的網(wǎng)站價格包括了開關和接收器模塊,，模塊中帶有一個繼電器，用于切換交流電源,，小批量價格大約是120美元,。O'allaghan 稱EnOcean在一個商用場所就已經(jīng)銷售了3000支~4000支開關。
你可以從技術角度說,，EnOcean 的開關產(chǎn)品不是真正的采集器,，因為它并不采集雜散能量。但它確實能夠憑空完成工作,。該公司正在開發(fā)太陽能產(chǎn)品和熱能產(chǎn)品,。參考文獻 1 詳細討論了太陽能產(chǎn)品，它可以在建筑內(nèi)的恒溫器中找到自己的用途,。這種產(chǎn)品可以采集白熾光源和熒光光源的能量,，并有兩種能量儲存形式，即使長期熄燈情況下也可以運行,。 熱能采集器的制造商利用了 Seebeck 效應的優(yōu)點,，熱電偶通過冷、熱極板的溫差而發(fā)電。EnOcean 最近在德國慕尼黑舉辦的 Electronica 展會上演示了這種熱能采集器,。演示相對比較簡單,。在一個演示過程中，一個人將一只手指放在極板上,，產(chǎn)生能激活處理器的溫差,，然后將一個溫度讀數(shù)傳送給連接在筆記本電腦上的接收器。第二次演示則利用了一個杯中液體溫度與周圍空氣溫度之間的溫差來產(chǎn)生能量,。
但是,，EnOcean 的熱能采集器也是采能市場上某些障礙的一個良好例子。EnOcean 的業(yè)務是設計使能技術,。它正在尋找具有能激發(fā)對終端設備興趣將技術推向市場的好思路的合作伙伴?，F(xiàn)在，熱能采集器正在等待著這樣的合作伙伴,。
當然,，也許廣泛部署的最大障礙就是更高效和更低成本的采集技術。很多學校和研發(fā)機構都正在從各個角度研究這個問題,。荷蘭埃因霍溫的 Holst 中心可能是能量采集技術的領跑者,。研究巨頭 IMEC（比利時 Leuven 的院校間微電子中心）與Dutch研究所 TNO（荷蘭機構）在 2005 年共同建立了 Holst 中心。在 Holst,，無線自主換能
器解決方案是一個重要的計劃,，它就包括了能量采集。Holst 中心正在研究熱,、振動和 RF 方案,。
IMEC 在半導體和 MEMS（微機電系統(tǒng)）技術方面有深入研究，能量采集工作利用這些長處也就不令人意外了,。在熱能領域，Holst 的研究者專注基于 MEMS 的溫差電堆方案,，以創(chuàng)建一個 TEG（熱電發(fā)電機）,。溫差電堆基本上是一個熱電偶元件陣列。這些元件在電氣上串行連接,，使溫差電堆累加每個元件產(chǎn)生的電壓,。元件之間并聯(lián)，從熱學上將冷結(jié)點或參考結(jié)點捆綁在一起,，并連接到相對的熱結(jié)點,。溫差電堆的溫差越大，產(chǎn)生的電流也越大,。
正如所料,，商用溫差電堆還太貴，無法滿足應用的需求,，因為需要很多元件串聯(lián)才能產(chǎn)生有用的電壓,。但 Holst 的官員相信,，該所能用一個 MEMS 方案建立一個可接受的陣列。即使采用了 MEMS 方案,，半導體的微型體積也會帶來問題,。熱電偶的高度本身就可以產(chǎn)生板與板之間的寄生熱傳導。Holst 研究者們希望在一個硅圓環(huán)上構建熱電偶陣列,，這樣既增加了空間,，也提供了極板間的隔離氣隙，解決寄生熱傳導問題,。
Holst 的研究者們正在致力于一個原型設備,，并同時開發(fā) MEMS TEG。原型設備是一個血氧定量計,，這種醫(yī)療儀器可以測量心率和血液中的氧含量,。原型使用了一個類似醫(yī)療設備使用的商用指尖傳感器。它耦合到一個低功耗運行的電子子系統(tǒng),。
Holst還必須制造出一個可以運行的單片TEG,。原型采用BiTe（碲化鉍）制造的分立溫差電堆，它總共有5000個熱電偶元件,，尺寸約為5cm2~6cm2,。溫差電堆裝成外形像手表，基準熱極板放在皮膚上,。人類皮膚的溫度通常是33℃,。Holst 研究者們將手表式TEG固定在手腕內(nèi)側(cè)的橈動脈處，以獲得最高的溫度,。
在環(huán)境溫度為22℃時,，原型TEG可以提供100mW功率。血氧定量計的設計可以完成測量和無線傳輸,，并每隔15秒無線傳輸測量結(jié)果一次,，其時耗電為62mW。
開發(fā)單片 TEG 的第一步是用于概念驗證的 SiGe（硅化鍺）器件,，不過研究者已經(jīng)開發(fā)的模型清楚表明,，SiGe 不會在原型近100mW時傳送任何東西。他們希望用SiGe TEG實現(xiàn)達到5mW,。在這個功率級上,，仍然可以運行血氧定量計，當然測量循環(huán)要低得多,。項目總監(jiān)Bert Gyselinckx建議,，系統(tǒng)可以每小時測量數(shù)次，而不是每分鐘四次。值得一提的還有,，Holst采集器要比精工的溫差發(fā)電手表先進得多,，它在1mW下就可以運行。
如果SiGe TEG能按計劃工作,，該團隊會用BiTe構建一個基于MEMS的單片TEG,。據(jù)Gyselinckx 說，模型顯示這種設計可以提供30mW,。兩種計劃中的單片設計將制成一個1cm2的芯片,，這是TEG的占位面積。盡管 BiTe TEG 理論上要比 SiGe TEG 更便于制造,，但 SiGe 器件已經(jīng)能在很多 CMOS 線上生產(chǎn),，而 BiTe 器件則不能。并且,，盡管整個 TEG 工作大有前途,，但大批量市售TEG顯然還要等上幾年。
同時,，Holst 研究者們正在從事一些其它應用和其它類型采集器的開發(fā),。Gyselinckx 相信在助聽領域?qū)霈F(xiàn)其它醫(yī)療設備，甚至是植入人體的醫(yī)療設備,。他說：“人體內(nèi)存在一些熱梯度,。”
Gyselinckx 還指出了在工業(yè)和工廠設置中的潛在應用。在工廠中部署熱能采集器的設計者會發(fā)現(xiàn)很多可用的熱量梯度,。但為什么要在供能充足的地方使用采集器,？Gyselinckx 稱，這樣能比較簡單地不用新的電源線和數(shù)據(jù)線而增加監(jiān)控網(wǎng)絡,，從而實現(xiàn)采集器和無線網(wǎng)絡的結(jié)合,。
關于其它采集技術，Holst正在探索壓電和靜電振動采集器,。對于這兩種情況,，研究者將目光集中在用半導體制造技術實現(xiàn)采集器。在靜電方案中,，研究者希望采用MEMS技術和多個晶圓。出現(xiàn)振動時,，一個晶圓將相對底部的固定晶圓而運動,，因此，變化的電容量為一個負載提供電流,。
另外,，Perpetuum也有基于振動的采集技術。參考文獻1中列出了基本情況，不久以前,，EDN報道了該公司最新的發(fā)電機（參考文獻2）,。
當然，Holst,、EnOcean和其它公司的研究者們亦面臨著低功耗電路和低功耗無線網(wǎng)絡技術的問題,。這就是Holst構建一個終端設備的原因之一。在Holst網(wǎng)站上可以看到DC/DC轉(zhuǎn)換器設計細節(jié),，以及血氧定量計的詳情,。
同樣，EnOcean的很多工作也是在系統(tǒng)級,，如無線網(wǎng)絡,。該公司將自己的無線網(wǎng)絡選擇在 868.3MHz 頻段，在此頻段,，它可以用調(diào)幅作短數(shù)據(jù)包突發(fā)傳輸,，并滿足全世界管理機構的要求。公司稱在 50mW 功率下,，該技術可以在 300m 范圍內(nèi)傳輸信號,。
設計者在能量采集設備中將面臨的另一個問題是對極低功耗IC和元件的需求。ALD（先進線性器件）公司多年來一直在關注極低功耗 MOSFET 市場,，現(xiàn)在希望將這些專業(yè)知識用于能量采集應用
,。公司首先推出了稱為零閾值的MOSFET，它工作在低至 200mV的柵極閾值,。然后,，該公司推出了這種 MOSFET 的可編程陣列，現(xiàn)在計劃一個模塊系列,，針對使用低功耗 MOSFET 的能量采集應用,。
據(jù)ALD首席執(zhí)行官Bob Chao稱，使采集器運行在實際應用中的關鍵是監(jiān)控存儲的能量,，并控制喚醒處理器與其它電路的時間,，完成手邊的任務。圖1的簡圖指出了Chao所說的觀點,。必須有一些電路不斷監(jiān)控能量采集器的存儲,，這就是ALD技術起作用的地方。
Chao稱ALD將在2007年初推出三款用于振動設備的模塊,。他稱為型號 A 的模塊將是一個 4.5 mJ 器件,，可以在 1.8V 時提供 25 mA 電流。該器件將偶爾提供這個負荷,，根據(jù)不同振動環(huán)境,，也許數(shù)小時一次,。這個能量將適合 Zigbee 應用的臨時供電。其它模塊將提供更大的功率,，但也許運行的頻率會更低,。Chao 稱這些模塊將有相當于 AA 電池的體積。
Chao 還稱 ALD 已在一系列汽車橋上振動供電傳感器中使用了這種技術,。通過的汽車會產(chǎn)生振動,。但 Chao 沒有提到現(xiàn)在使用的設備的名稱，因為 ALD 只是將此技術提供給合同商,。
盡管今天的大多數(shù)能量采集技術還處于原型階段,，但顯然在今后幾年內(nèi)，將會出現(xiàn)一些實際應用,。另外一些公司包括 Thermo Life,，正在致力于熱能采集器的工作。MicroStrain 和 Ferro Solutions 正在開發(fā)基于振動的采集器,，面向軍隊應用,。設計者面對的挑戰(zhàn)將是采集技術與一個具有強大吸引力產(chǎn)品的完美組合。
參考文獻
1. Conner, Margery, "Energy harvesters extract power from light, vibrations," EDN, Oct 27, 2005, pg 45.
2. Prophet, Graham, "Vibration powers wireless sensors," EDN, Sept 1, 2006, pg 26.
附文:芯片上有引擎嗎,？
一方面,，電池開發(fā)商們在改進電池化學性質(zhì)方面取得了長足進步，擴展了電池壽命,，制造出了更小的電池,，并改善了充電性能。另一方面,，電池方面的專家仍無法提供與電池體積和重量相適應的能量密度,。因此，研究者們繼續(xù)尋找替代品,，如燃料電池,，甚至小型燃料引擎。
多年來,，EDN 與其它很多出版物都報導了燃料電池技術,，它可為筆記本電腦、PC,、手機和汽車及家庭提供電能,。EDN 在兩年前的專題中已發(fā)表過最新報導（參考文獻A），從那以后,，燃料電池在真實世界中只獲得了有限的成功,。
不久以前，微燃料電池進入了我們的視線,。微燃料電池基本上是采用 MEMS（微機電系統(tǒng)）技術,，在半導體結(jié)構中制成的燃料電池。但今年 EDN 報導說這種微燃料電池看來不會用于主流應用,，如手機（參考文獻 B）,。
但是，這篇有關能量采集的文章關注的是那些合適的應用,，它可以從這種采用 MEMS 工藝構建的小型引擎獲得某種潛在優(yōu)勢,。
DARPA（美國國防先進技術研究計劃署）正在推動這一研究，雖然其初衷主要是軍用,。該計劃署指出碳氫燃料的能量密度比最好的鋰離子電池要高 50倍 ~ 100倍（參考文獻）,。
同時，馬薩諸塞技術學院 Microsystems 技術實驗室正在一個芯片上構建一個真正的氣體渦輪引擎,。同樣,，MEMS 技術是關鍵，并且推動力量也主要來自軍方（參考文獻 D）,。研究人員希望今年能獲得一個工作原型,。
參考文獻
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B. Conner, Margery, "Micro fuel cells may find niche applications," EDN, April 4, 2006.
C. MPG program.
D. Stauffer, Nancy, "Engine on a chip promises to best the battery," Microsystems Technology Laboratories, Massachusetts Institute of Technology, Sept 19, 2006.