MicroGen压电MEMS振动能量收集器实现无线传感器网络

MicroGen Systems 公司 (下称“MicroGen”) 近日于美国伊利诺伊州罗斯蒙特举办的“Sensors Expo and Conference” 展览会上宣布：振动能量收集 BOLT Power Cell (见图 1) 实现了一款实时无线传感器网络 (WSN)，其采用凌力尔特 (Linear Technology) 公司的 Dust Networks LTC5800-IPM SmartMesh IP 片内微尘 。凌力尔特微尘由 MicroGen 的压电式微机电系统 (压电式 MEMS) 振动能量收集器或微功率发电机 (MPG) 技术进行供电。

图 1：图中所示为基于 MicroGen 压电 MEMS 的微功率 AC 发电机，Power Cell (9V 电池外形) 具有 3.3V DC 输出，以及采用一个超级电容器或一个可再充电电池 (可使用固态电池或锂离子币形电池) 的插入式 Energy Cell 以提供附加的储能容量。

凌力尔特 WSN 包括 4 个微尘，并采用了高效功率受控型通信的 WSN 软件。自供电式微尘由设定在 120Hz 典型工业振动级和 0.2g (g = 9.8 m/s2) 加速度 G 级的电子振动器使能。MicroGen 把这种由振动提供电能的微尘摆放在凌力尔特的展台和 X-FAB MEMS Foundry 的展台。这些微尘距离 MicroGen 的展台大约 20~30 米。这是由一家商业公司完成首个全采用 MEMS 能量收集进行供电的 WSN。

在 MicroGen 公司 BOLT Power Cell 的内部是一个小型半导体 MEMS 芯片，其采用类似于计算机芯片行业的工艺进行制造。该芯片是一个面积约为 1.0cm2 的压电式 MEMS MPG，其包括一个含有压电式薄膜的末端质量加载微悬臂。当 MPG 的悬臂由于外部振动力的原因而上下弯曲时，将产生交流 (AC) 电。在谐振时 AC 功率输出达到最大，此时其大约为 100μW (在 120Hz 和 ≥ 0.1g) 和 900μW (在 600Hz 和 ≥0.5g)。

采用凌力尔特的 LTC3588-1 压电式能量收集 AC 至 DC 转换器时，可将 AC 高效地转换为 DC。在采集了能量之后，将其暂时存储在一个 300μF 的电容器中。Power Cell 的功率输出范围介于 25μW 至 500μW 之间 (在 3.3V DC 电压下)，具体数值取决于配置和频率。BOLT Power Cell 可用来实现许多不同制造商的无线传感器微尘。

最低限度，BOLT Power Cell 就是一个电池替换部件，其采用了振动能量，而不是利用对环境有害的材料所产生之化学能源。目的是免除 WSN 工业和建筑应用中的主电池或可再充电电池，或延长这些电池的寿命，在此类应用中，若要在安装好的WSN 中以人工方式频繁更换电池，这非常耗费成本。Power Cell 将在介于 100Hz 至 1500Hz 的 50 / 60Hz 谐波下提供。MicroGen 的 MPG 和 Power Cell 对于低加速度的 G 级是非常敏感的。在某一特定的工业特征频率下，当 G 级 0.1~0.5g (取决于频率) 时 Power Cell 将使能附接的 WS 微尘。在量产的情况下，MPG 和 Power Cell 的生产成本估计分别为 0.50 美元和 1.00 美元左右。

凌力尔特 Dust Networks 产品组总裁 Joy Weiss 指出：“看到MicroGen 为实现自供电型 SmartMesh 无线传感器所取得的能量收集技术进步，我感到十分高兴。”

凌力尔特公司波士顿设计中心总监 Sam Nork 表示：“在MicroGen的演示中，将其压电式采集芯片与凌力尔特的 LTC3588 压电转换器整合在一起，这是可为WSN 应用有效地产生DC 电流的完美搭配。”

MicroGen 的首席执行官 Robert Andosca 表示，“能够展示一款可实现凌力尔特 SmartMesh 无线微尘的低成本能量收集器解决方案，我们感到非常欣喜。我们的目标是提供具备可被目前市面上所有无线传感器产品所使用的一种压电式 MEMS 收集器。我们的 BOLT Power Cell 是达到这一目标的首个产品实例，其具有一个基于商用 MEMS 的能量收集发电机组件。”

MicroGen 在 6 月的传感器博览会上推出了它们的 BOLT 产品线。MicroGen 计划于 2013 年夏季末宣布其产品的供货情况。最初，MicroGen 将提供 100Hz、120Hz 和 600Hz 的 MPG 和 BOLT Power Cell。如需获得额外的能量存储容量，则可利用 (a) 22mF Panasoic 超级电容器、(b) 50μA-hr Cymbet Corporation固态电池、以及 (c) 7.0mA-hr Panasonic 可再充电币形电池来提供插入式 BOLT Energy Cell。请登录 BOLT 产品网页，该网页包含了至所有 MicroGen 产品数据表的链接。