MEMS能量收集技术的应用和解决方案

超低功耗MCU的发展创造了一个巨大且不断扩容的能量收集市场，无论是规划便携式电池供电设备，还是希望提高大型设备的能源效率，所有设计工程师都在积极将能量收集技术纳入他们的产品中。

能量收集技术为从周围环境中采集能量，为各种低功耗设备供电提供了一条有前景的途径。目前有几种常用的能量收集技术，常见的能源是光、热、振动和射频。然而，除了屋顶太阳能电池板，其他几种能量收集技术都只能产生较低的能量。在实际应用中，设计人员可以将一个或多个技术叠加使用，以便为更广泛的应用提供连续和可再生的能源。

MEMS能量收集技术与应用

能量收集技术利用了环境中可用的各种环境能源，一些常见的转换方法包括：

1. 光伏转换：通过光伏电池中的光电效应将太阳能转换为电能，产生直流（DC）输出。

2.热电转换：使用热电材料将温差转换为电能，当出现温度梯度时，热电材料会产生一定的电压。

3.电磁感应：机械运动或磁通量的变化在电线线圈中感应出电动势（EMF），通过电磁感应产生电力。

4.压电效应：施加在压电材料上的机械应力或振动会产生电荷，这些电荷可以被收集并存储为电能。

近几年热门的基于微机电系统（MEMS）的压电发电技术可以从低水平的环境振动源中获取电力。该技术凭借微型化、低功耗和集成化等优势，正在成为可持续能源领域的关键发展方向。其优势主要体现在四个方面：

小型化与集成化。MEMS设备尺寸小巧，可无缝集成到物联网传感器、可穿戴设备或植入式医疗工具等微型系统中。

可持续性和免维护运行。MEMS的能量收集技术可产生微瓦到毫瓦的功率，为低功耗的物联网设备供电，能极大限度地延长设备的使用寿命，同时减少了更换远程传感器中的电池等维护需求。

成本效益。MEMS制造使用批处理（例如光刻和蚀刻），原始成本低，降低了大规模部署的单位成本。

灵活性和环境适应性。柔性结构设计，例如柔性压电聚合物可以集成到弯曲或可穿戴的表面（如鞋垫或智能服装）中，拓宽了能量收集技术的应用范围。

现在，人们对利用环境或人体等来源的能量进行体内治疗越来越感兴趣。MEMS是一种小型化的机械和电气系统，它在微小的尺寸上结合了电气和机械部件，通常尺寸从几微米到几毫米不等，基于MEMS的能量收集系统因紧凑的尺寸和高性能被广泛应用于各种低功耗应用。

电动汽车（EV）和自动驾驶的增长可能会为汽车系统中的MEMS能量收集创造机会，例如可从轮胎振动或发动机热量中收集能量。柔性电子和可穿戴设备的进步正推动集成能量收集技术的发展，例如可将压电材料整合到智能服装中。随着MEMS能量收集技术的不断完善，其在医疗领域的应用也在逐渐扩大。医疗微创手术机器人中内置MEMS能量收集器，可有效避免外部线缆束缚，降低了手术的复杂性。

在微量给药与药物控释领域，由于人体的限制，电源和生物相容性的挑战构成了重大障碍。为了应对这些挑战，科学家们正在探索将MEMS能量收集技术与用于医疗目的的微药物输送相结合。在可植入设备领域，开发自充电起搏器充满了挑战。通常的起搏器需要特定范围的电力和电压，虽然基于MEMS的能量收集器具有为植入式生物医学设备（IMD）供电的潜力，但它们的性能受到各种因素的影响。用于IMD应用的微型能量收集器的进展表明，基于MEMS的能量收集器有望很快用于实际应用。

MEMS能量收集中的关键元器件

图2：相比传统晶振，Murata的32.768kHz MEMS谐振器可节省65%的尺寸（图源：Murata）

Murata有多种可用于MEMS能量收集的产品，以超小32.768kHz MEMS谐振器“WMRAG系列”为例，其尺寸比传统的晶体谐振器小50%以上，通过低ESR（75kΩ）化，降低了半导体集成电路的增益，可生成稳定的基准时钟信号，其功耗也比传统产品减少13%。此外，该产品还具有出色的频率精度和温度特性，工作环境在-30℃至85℃时，频率温度特性在160ppm以下，初始频率精度更是高达±20ppm。将其用于对尺寸和功耗要求较高的能量收集相关设备中，可为设备提供稳定的时钟信号。

MEMS惯性传感器是MEMS能量收集系统的重要器件。村田有SCA3300-D01三轴加速度传感器、SCH16T-K01六轴MEMS惯性传感器等产品可供选择。

其中SCA3300-D01基于成熟的3D-MEMS电容技术，内部集成感应测量元件和ASIC应用电路，在较宽的温度和振动范围内具有极其稳定的输出，并且能进行自检。

SCH16T-K01利用3D-MEMS工艺升级强化，包括先进的MEMS陀螺仪和加速度计，陀螺仪典型零偏不稳定性为0.5°/h，加速度计动态范围高达26g，在整个温度范围内表现出卓越的线性和偏移稳定性，输出经过内部交叉轴补偿，无需用户端大量校准。在MEMS能量收集中，可通过检测物体的运动来实现能量的收集和转化，例如在一些可穿戴设备或移动设备中，利用人体运动产生的动能进行能量收集。也可用于工业设备的状态监测，通过检测设备的振动等运动信息来判断设备是否正常运行，同时可将振动能量转化为电能进行收集。

图3：SCA3300-D01三轴加速度传感器（图源：Mouser）

STMicroelectronics的一些MEMS传感器在低功耗设计方面表现出色，有助于在能量收集系统中降低能耗，从而间接提高能量收集的效率和可用性，如LSM6DSV16X、LPS22DF、LPS28DFW、LIS2DU12等。虽然这些传感器并非专门的能量收集器件，但它们的低功耗特性使其在与能量收集技术结合的应用中具有很大的优势。

面向MEMS能量收集的电源管理

基于MEMS的能量收集设备所依赖的能源，如振动、热梯度和光，可以在频率、振幅和方向上变化。可变性使高效能量采集设备的设计面临挑战。收集的能量需要有效地管理和储存，以供实际使用。开发能够处理可变输入功率并提供稳定输出功率的高效电源管理电路和储能解决方案对于现实应用至关重要。

Texas Instruments公司的bq25570纳米功率升压充电器和降压转换器，专门设计用于有效提取各种高输出阻抗直流电源，如光伏（太阳能）或热电发电机（TEG）产生的微瓦（μW）至毫瓦（mW）的功率，而不会使这些电源崩溃。电池管理功能可确保可充电电池不会因提取的电力而过度充电，也不会因系统负载而使电压升高或耗尽到安全极限之外。除了高效的升压充电器外，bq25570还集成了一个高效的纳米级降压转换器，为无线传感器网络（WSN）等具有严格功率和操作要求的系统提供第二电源轨。

收集器提取能量的来源通常是零星的或时变的，系统通常需要某种类型的储能元件，如可充电电池、超级电容器或传统电容器，才能为系统提供恒定的功率。bq25570的设计具有灵活性，可以支持各种储能元件。为了防止损坏客户的存储元件，bq25570能根据内部设置的欠压（UV）和用户可编程过压（OV）水平监测最大和最小电压。

图5：bq25570典型的TEG应用电路（图源：TI）

本文小结

能量收集市场规模庞大，增长迅速。据IDTechEx的分析师预测，2012年能量收集市场规模仅为7亿美元，到2022年这一数值就超过50亿美元，到2023年，仅热电能收集市场就将达到8.65亿美元。

MEMS能量收集在低功耗应用的小型化、可持续电源解决方案方面表现出色，解决了物联网、医疗保健和环境监测中的电池限制问题。然而，其实际应用需要克服效率、频率适应性和集成挑战。

分析表明，目前可用的基于MEMS的能量收集器的可实现功率能力仅限于几毫瓦，限制了它们的潜在应用。基于MEMS的能量收集器的未来趋势是提高效率，重点是增加功率输出。由于这些设备很多直接应用于人体，因此生物相容性也是选择用于能量收集的MEMS材料时必须考虑的关键因素。此外，为了获得更广泛的应用，基于MEMS的能量收集设备必须具有成本效益。实现这一目标需要制造技术、材料科学和器件集成的共同进步。

MEMS能量收集技术构建了微系统与可持续能源的桥梁，为低功耗物联网、医疗植入设备等提供了革新性解决方案。随着材料科学与微纳制造技术的进步，该技术将向自维持智能系统演进，并将推动万物互联与绿色电子的深度融合。