超低功耗MCU的發(fā)展創(chuàng)造了一個(gè)巨大且不斷擴(kuò)容的能量收集市場(chǎng)，無(wú)論是規(guī)劃便攜式電池供電設(shè)備，還是希望提高大型設(shè)備的能源效率，所有設(shè)計(jì)工程師都在積極將能量收集技術(shù)納入他們的產(chǎn)品中。

能量收集技術(shù)為從周圍環(huán)境中采集能量，為各種低功耗設(shè)備供電提供了一條有前景的途徑。目前有幾種常用的能量收集技術(shù)，常見(jiàn)的能源是光、熱、振動(dòng)和射頻。然而，除了屋頂太陽(yáng)能電池板，其他幾種能量收集技術(shù)都只能產(chǎn)生較低的能量。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員可以將一個(gè)或多個(gè)技術(shù)疊加使用，以便為更廣泛的應(yīng)用提供連續(xù)和可再生的能源。

MEMS能量收集技術(shù)與應(yīng)用

能量收集技術(shù)利用了環(huán)境中可用的各種環(huán)境能源，一些常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換方法包括：

1. 光伏轉(zhuǎn)換：通過(guò)光伏電池中的光電效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生直流（DC）輸出。

2.熱電轉(zhuǎn)換：使用熱電材料將溫差轉(zhuǎn)換為電能，當(dāng)出現(xiàn)溫度梯度時(shí)，熱電材料會(huì)產(chǎn)生一定的電壓。

3.電磁感應(yīng)：機(jī)械運(yùn)動(dòng)或磁通量的變化在電線線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)（EMF），通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生電力。

4.壓電效應(yīng)：施加在壓電材料上的機(jī)械應(yīng)力或振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電荷，這些電荷可以被收集并存儲(chǔ)為電能。

近幾年熱門的基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的壓電發(fā)電技術(shù)可以從低水平的環(huán)境振動(dòng)源中獲取電力。該技術(shù)憑借微型化、低功耗和集成化等優(yōu)勢(shì)，正在成為可持續(xù)能源領(lǐng)域的關(guān)鍵發(fā)展方向。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：

小型化與集成化。MEMS設(shè)備尺寸小巧，可無(wú)縫集成到物聯(lián)網(wǎng)傳感器、可穿戴設(shè)備或植入式醫(yī)療工具等微型系統(tǒng)中。

可持續(xù)性和免維護(hù)運(yùn)行。MEMS的能量收集技術(shù)可產(chǎn)生微瓦到毫瓦的功率，為低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電，能極大限度地延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，同時(shí)減少了更換遠(yuǎn)程傳感器中的電池等維護(hù)需求。

成本效益。MEMS制造使用批處理（例如光刻和蝕刻），原始成本低，降低了大規(guī)模部署的單位成本。

靈活性和環(huán)境適應(yīng)性。柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如柔性壓電聚合物可以集成到彎曲或可穿戴的表面（如鞋墊或智能服裝）中，拓寬了能量收集技術(shù)的應(yīng)用范圍。

現(xiàn)在，人們對(duì)利用環(huán)境或人體等來(lái)源的能量進(jìn)行體內(nèi)治療越來(lái)越感興趣。MEMS是一種小型化的機(jī)械和電氣系統(tǒng)，它在微小的尺寸上結(jié)合了電氣和機(jī)械部件，通常尺寸從幾微米到幾毫米不等，基于MEMS的能量收集系統(tǒng)因緊湊的尺寸和高性能被廣泛應(yīng)用于各種低功耗應(yīng)用。

電動(dòng)汽車（EV）和自動(dòng)駕駛的增長(zhǎng)可能會(huì)為汽車系統(tǒng)中的MEMS能量收集創(chuàng)造機(jī)會(huì)，例如可從輪胎振動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)熱量中收集能量。柔性電子和可穿戴設(shè)備的進(jìn)步正推動(dòng)集成能量收集技術(shù)的發(fā)展，例如可將壓電材料整合到智能服裝中。隨著MEMS能量收集技術(shù)的不斷完善，其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐漸擴(kuò)大。醫(yī)療微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人中內(nèi)置MEMS能量收集器，可有效避免外部線纜束縛，降低了手術(shù)的復(fù)雜性。

在微量給藥與藥物控釋領(lǐng)域，由于人體的限制，電源和生物相容性的挑戰(zhàn)構(gòu)成了重大障礙。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家們正在探索將MEMS能量收集技術(shù)與用于醫(yī)療目的的微藥物輸送相結(jié)合。在可植入設(shè)備領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)自充電起搏器充滿了挑戰(zhàn)。通常的起搏器需要特定范圍的電力和電壓，雖然基于MEMS的能量收集器具有為植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備（IMD）供電的潛力，但它們的性能受到各種因素的影響。用于IMD應(yīng)用的微型能量收集器的進(jìn)展表明，基于MEMS的能量收集器有望很快用于實(shí)際應(yīng)用。

MEMS能量收集中的關(guān)鍵元器件

圖2：相比傳統(tǒng)晶振，Murata的32.768kHz MEMS諧振器可節(jié)省65%的尺寸（圖源：Murata）

Murata有多種可用于MEMS能量收集的產(chǎn)品，以超小32.768kHz MEMS諧振器“WMRAG系列”為例，其尺寸比傳統(tǒng)的晶體諧振器小50%以上，通過(guò)低ESR（75kΩ）化，降低了半導(dǎo)體集成電路的增益，可生成穩(wěn)定的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，其功耗也比傳統(tǒng)產(chǎn)品減少13%。此外，該產(chǎn)品還具有出色的頻率精度和溫度特性，工作環(huán)境在-30℃至85℃時(shí)，頻率溫度特性在160ppm以下，初始頻率精度更是高達(dá)±20ppm。將其用于對(duì)尺寸和功耗要求較高的能量收集相關(guān)設(shè)備中，可為設(shè)備提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。

MEMS慣性傳感器是MEMS能量收集系統(tǒng)的重要器件。村田有SCA3300-D01三軸加速度傳感器、SCH16T-K01六軸MEMS慣性傳感器等產(chǎn)品可供選擇。

其中SCA3300-D01基于成熟的3D-MEMS電容技術(shù)，內(nèi)部集成感應(yīng)測(cè)量元件和ASIC應(yīng)用電路，在較寬的溫度和振動(dòng)范圍內(nèi)具有極其穩(wěn)定的輸出，并且能進(jìn)行自檢。

SCH16T-K01利用3D-MEMS工藝升級(jí)強(qiáng)化，包括先進(jìn)的MEMS陀螺儀和加速度計(jì)，陀螺儀典型零偏不穩(wěn)定性為0.5°/h，加速度計(jì)動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)26g，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出卓越的線性和偏移穩(wěn)定性，輸出經(jīng)過(guò)內(nèi)部交叉軸補(bǔ)償，無(wú)需用戶端大量校準(zhǔn)。在MEMS能量收集中，可通過(guò)檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的收集和轉(zhuǎn)化，例如在一些可穿戴設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備中，利用人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能進(jìn)行能量收集。也可用于工業(yè)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)檢測(cè)設(shè)備的振動(dòng)等運(yùn)動(dòng)信息來(lái)判斷設(shè)備是否正常運(yùn)行，同時(shí)可將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行收集。

圖3：SCA3300-D01三軸加速度傳感器（圖源：Mouser）

STMicroelectronics的一些MEMS傳感器在低功耗設(shè)計(jì)方面表現(xiàn)出色，有助于在能量收集系統(tǒng)中降低能耗，從而間接提高能量收集的效率和可用性，如LSM6DSV16X、LPS22DF、LPS28DFW、LIS2DU12等。雖然這些傳感器并非專門的能量收集器件，但它們的低功耗特性使其在與能量收集技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

面向MEMS能量收集的電源管理

基于MEMS的能量收集設(shè)備所依賴的能源，如振動(dòng)、熱梯度和光，可以在頻率、振幅和方向上變化?？勺冃允垢咝芰坎杉O(shè)備的設(shè)計(jì)面臨挑戰(zhàn)。收集的能量需要有效地管理和儲(chǔ)存，以供實(shí)際使用。開(kāi)發(fā)能夠處理可變輸入功率并提供穩(wěn)定輸出功率的高效電源管理電路和儲(chǔ)能解決方案對(duì)于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用至關(guān)重要。

Texas Instruments公司的bq25570納米功率升壓充電器和降壓轉(zhuǎn)換器，專門設(shè)計(jì)用于有效提取各種高輸出阻抗直流電源，如光伏（太陽(yáng)能）或熱電發(fā)電機(jī)（TEG）產(chǎn)生的微瓦（μW）至毫瓦（mW）的功率，而不會(huì)使這些電源崩潰。電池管理功能可確保可充電電池不會(huì)因提取的電力而過(guò)度充電，也不會(huì)因系統(tǒng)負(fù)載而使電壓升高或耗盡到安全極限之外。除了高效的升壓充電器外，bq25570還集成了一個(gè)高效的納米級(jí)降壓轉(zhuǎn)換器，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）等具有嚴(yán)格功率和操作要求的系統(tǒng)提供第二電源軌。

收集器提取能量的來(lái)源通常是零星的或時(shí)變的，系統(tǒng)通常需要某種類型的儲(chǔ)能元件，如可充電電池、超級(jí)電容器或傳統(tǒng)電容器，才能為系統(tǒng)提供恒定的功率。bq25570的設(shè)計(jì)具有靈活性，可以支持各種儲(chǔ)能元件。為了防止損壞客戶的存儲(chǔ)元件，bq25570能根據(jù)內(nèi)部設(shè)置的欠壓（UV）和用戶可編程過(guò)壓（OV）水平監(jiān)測(cè)最大和最小電壓。

圖5：bq25570典型的TEG應(yīng)用電路（圖源：TI）

本文小結(jié)

能量收集市場(chǎng)規(guī)模龐大，增長(zhǎng)迅速。據(jù)IDTechEx的分析師預(yù)測(cè)，2012年能量收集市場(chǎng)規(guī)模僅為7億美元，到2022年這一數(shù)值就超過(guò)50億美元，到2023年，僅熱電能收集市場(chǎng)就將達(dá)到8.65億美元。

MEMS能量收集在低功耗應(yīng)用的小型化、可持續(xù)電源解決方案方面表現(xiàn)出色，解決了物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療保健和環(huán)境監(jiān)測(cè)中的電池限制問(wèn)題。然而，其實(shí)際應(yīng)用需要克服效率、頻率適應(yīng)性和集成挑戰(zhàn)。

分析表明，目前可用的基于MEMS的能量收集器的可實(shí)現(xiàn)功率能力僅限于幾毫瓦，限制了它們的潛在應(yīng)用。基于MEMS的能量收集器的未來(lái)趨勢(shì)是提高效率，重點(diǎn)是增加功率輸出。由于這些設(shè)備很多直接應(yīng)用于人體，因此生物相容性也是選擇用于能量收集的MEMS材料時(shí)必須考慮的關(guān)鍵因素。此外，為了獲得更廣泛的應(yīng)用，基于MEMS的能量收集設(shè)備必須具有成本效益。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要制造技術(shù)、材料科學(xué)和器件集成的共同進(jìn)步。

MEMS能量收集技術(shù)構(gòu)建了微系統(tǒng)與可持續(xù)能源的橋梁，為低功耗物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療植入設(shè)備等提供了革新性解決方案。隨著材料科學(xué)與微納制造技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)將向自維持智能系統(tǒng)演進(jìn)，并將推動(dòng)萬(wàn)物互聯(lián)與綠色電子的深度融合。