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体感运动催生植入式能量收集器

时间：2014/3/14 11:26:00

新加坡科技研究局（A*STAR）旗下微电子研究院（IME）的研究人员们展示了一种新的MEMS能量收集概念，它能利用经常自然发生于0.1～100Hz范围间的低频振动，从而为微型电子装置供电。这个新概念结合了MEMS微流控以及压电微带，可将压力（随机来自现实世界的振动来源）转换为电力。在利用振动产生交错的压力波时，在微通道中的加压流体同步随输入振动至预定义的谐振频率，使大部分压电元件用于产生电荷，不过，这些振动并不规则是随机发生的。MEMS能量收集并不是一项新技术了，但大多数的概念取决于振动式压电悬臂或微型驻极体，只能在很窄的频段或特定频段内有效工作。这种限制使得大多数的实际环境中都得放弃这些概念。IME传感器与执行器微系统计划技术总监Alex Gu，发现了一个有趣的方式可在MEMS能量收集器可接收的范围内扩大振动频率。Alex Gu利用输入与输出腔连接到特定几何尺寸的微通道，以实现亥姆霍兹（Helmholtz）压力谐振效果。通过耦合Helmholtz谐振以及所谓的涡旋洩离，进一步增强了压力振动，如图1，当有障碍或非流线体流过时，在流体中发生涡流振荡。加压流体中的涡旋泄离效果就是在预定义高频时的同步压力振荡，可透过内嵌于微流控通道的压电结构收集能量。Alex Gu解释，“通过将低频输入振动能量转换成加压的流体，使其同步随机输入振动成为预定义的谐振频率，从而得以充份利用来自完整低频频谱的振动。”由于能量收集器的工作频率是由腔体与开口的实体尺寸所决定，因而不受输入流体的流速所影响，从而大幅简化ASIC设计，同时也提高了能量储存效率。研究人员们强调，峰值输出功率大约为21μW。”为了展示这个新概念，研究人员们打造了一个基于氮化铝（AlN）的能量收集器，可实现1.5mW/cm3的功率密度，如图2所示。研究人员们宣称，该原型能够产生相当于三个续航力超过10年的商用植入式锂电池电力（以1.05Wh/cm3佔2.34cm3体积的电池能量密度为参考）。这种MEMS能量收集器主要锁定医疗应用，例如为起搏器或植入式心脏除颤器供电，使其得以完全无需更换电池。此外，在汽车传感器以及无线通讯等领域，也能找到更多的新应用场合。虽然这种技术收集的是次音频振动能量，而且采用微流控设计原则以及利用空气作为工作流体，但在实验室中目前所瞄准的应用并不包括从杂讯环境中进行能量收集。“在实际建置时，只要振动来源的压力等于或高于能量收集器的驱动压力，这种振动来源就能加以利用，并且经由用户的装置将振动来源转换成电能，” A*STAR的IME实验室发言人Shin-Miin Song表示。Shin-Miin Song指出，“对于植入式应用，我们可以利用吸气和呼气(～0.1-0.2 psi)之间的压力差。这可能采取类似乳房植入物的气泡压缩形式。在吸气时，气泡被压缩，自供空气被加压而驱动能量收集器。透过一对单向阀的作用，能量收集器可在完成吸气和呼气的一次完整呼吸周期进行两次收集，”她补充说。Shin-Miin Song最后总结道，“对于可穿戴式应用，我们可以想像收集脚跟着地的压力或感应动作（0.1～2g加速度）而产生压力。这些想法的实现可采取像Nike Air智能鞋或鞋垫的形式，或钮扣大小的能量收集器，而为可穿戴的体感网络供电。”（本文搜集自互联网）