要 點(diǎn)
　　熱、振動(dòng)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(jí)。
　　采集器通常要儲(chǔ)存能量供偶發(fā)性使用，設(shè)計(jì)時(shí)必須在能夠偶爾工作的低功耗系統(tǒng)中包含這一部分。
　　設(shè)計(jì)通常要將能量采集與可以利用偶發(fā)低功耗源優(yōu)點(diǎn)的應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)。

　　世上沒(méi)有免費(fèi)的午餐，你的父母可能是這么教你的。當(dāng)然，我們不可能從稀薄的空氣中取得能量，是嗎？但事實(shí)上，人體、工廠(chǎng)機(jī)器、各種型號(hào)的收音機(jī)，以及很多其它東西都在以熱、振動(dòng)或射頻電波形式輻射能量。設(shè)計(jì)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(dāng)然是極低功率的產(chǎn)品。你不會(huì)很快看到由以太供電的手機(jī)，但可能的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用包括便攜醫(yī)療監(jiān)控儀，甚至家庭自動(dòng)化設(shè)備。

　　能量采集或提取并不僅是為了節(jié)省金錢(qián)，它還能促進(jìn)有吸引力的新應(yīng)用。技術(shù)行業(yè)中有遠(yuǎn)見(jiàn)的人有時(shí)會(huì)談到一個(gè)時(shí)代，那時(shí)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(jì)念刊上的一段話(huà)：“差不多可以說(shuō)我們正處在產(chǎn)品消失的道路上，那時(shí)產(chǎn)品將變得如此之小，體積已經(jīng)無(wú)足輕重，但是功能卻非常強(qiáng)大，我們實(shí)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(lèi)基于微處理器的裝置在我們身邊，以及在智能電燈開(kāi)關(guān)或溫度計(jì)內(nèi)。

　　可以認(rèn)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(rèn)為：“當(dāng)你早上醒來(lái)，你接觸的第一件東西就是鬧鐘，然后可能是電動(dòng)剃須刀、吹風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)、冰箱……當(dāng)你離開(kāi)家時(shí)，你已經(jīng)使用了大量微控制器。然后你坐進(jìn)汽車(chē)?yán)?，?chē)上有40種 ~ 50種微控制器，為你增加安全、舒適、便利和娛樂(lè)。”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(huì)面對(duì)無(wú)數(shù)其它設(shè)備。

　　今天，一個(gè)交流電源或電池可以方便地為所有這些設(shè)備提供電能。但下一步，當(dāng)處理器嵌入到紡織品、墻面、橋梁等所有地方時(shí)，就需要電池的一種替代品，或者至少要有一種共生技術(shù)，它可以從以太中為電池充電，從而大大擴(kuò)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(jī)（見(jiàn)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(yáng)能是一個(gè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多年的例子。Franz 說(shuō) TI 的太陽(yáng)能手表和計(jì)算器已有很長(zhǎng)歷史。這些產(chǎn)品使用的電池可以用太陽(yáng)能板進(jìn)行充電。精工(Seiko)還銷(xiāo)售一種手表，它通過(guò)人體熱能供電。

　　還有一些制造商提供的使能技術(shù)實(shí)例，設(shè)計(jì)者能夠以某種方式獲取能量。從參考文獻(xiàn)1中可以找到過(guò)去的技術(shù)報(bào)道和一些產(chǎn)品實(shí)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(dòng)化設(shè)備。

　　EnOcean提供一種開(kāi)關(guān)，主要用于照明控制，不過(guò)也可以用于控制電動(dòng)窗簾、風(fēng)扇，或其它在家庭或辦公室內(nèi)有墻面開(kāi)關(guān)的設(shè)備?；井a(chǎn)品是ECO 100模塊，公司稱(chēng)之為一個(gè)“電動(dòng)力”采集器。該模塊采用一個(gè)線(xiàn)圈和磁鐵，兩者共同將線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為能量。尤其特別的是，一個(gè)人按開(kāi)關(guān)的動(dòng)作就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突變的能量，因?yàn)槁菥€(xiàn)管會(huì)改變流經(jīng)線(xiàn)圈的磁通量。公司以前為相同應(yīng)用提供過(guò)一種壓電式采集器，但稱(chēng)新設(shè)計(jì)效率更高。

　　EnOcean 將 ECO 100 捆綁在 PTM 200 開(kāi)關(guān)模塊內(nèi)，公司正在照明和其它應(yīng)用中銷(xiāo)售該產(chǎn)品。當(dāng)你按下照明開(kāi)關(guān)時(shí)（圖2），采集器產(chǎn)生足夠的能量，激活 PTM 200 上的一個(gè)處理器和無(wú)線(xiàn)電，然后向接收器發(fā)送三個(gè)短的重復(fù)消息包。你可以將接收器集成在照明裝置中，而過(guò)去你會(huì)用電線(xiàn)連接交流電源和照明裝置。墻面開(kāi)關(guān)既不需要接線(xiàn)，也不需要電池。接收器使用交流電源工作。

　　EnOcean 的銷(xiāo)售與營(yíng)銷(xiāo)副總裁 Jim O'allaghan 稱(chēng)，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(jì)意義，盡管一個(gè)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比普通直接切換交流電源的墻面開(kāi)關(guān)復(fù)雜。O'allaghan 稱(chēng)，因?yàn)椴槐赝_(kāi)關(guān)布放交流電線(xiàn)，這樣節(jié)省的費(fèi)用將能抵銷(xiāo)開(kāi)關(guān)和集成在裝置中接收器的較高成本。

　　O'allaghan 說(shuō)，PTM200的售價(jià)根據(jù)批量從10美元~20美元，完成的照明開(kāi)關(guān)大約要50美元（單件）。你可以從 Ad Hoc Electronics 公司購(gòu)買(mǎi)家用開(kāi)關(guān)。Ad Hoc 的網(wǎng)站價(jià)格包括了開(kāi)關(guān)和接收器模塊，模塊中帶有一個(gè)繼電器，用于切換交流電源，小批量?jī)r(jià)格大約是120美元。O'allaghan 稱(chēng)EnOcean在一個(gè)商用場(chǎng)所就已經(jīng)銷(xiāo)售了3000支~4000支開(kāi)關(guān)。

　　你可以從技術(shù)角度說(shuō)，EnOcean 的開(kāi)關(guān)產(chǎn)品不是真正的采集器，因?yàn)樗⒉徊杉s散能量。但它確實(shí)能夠憑空完成工作。該公司正在開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能產(chǎn)品和熱能產(chǎn)品。參考文獻(xiàn) 1 詳細(xì)討論了太陽(yáng)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?jī)?chǔ)存形式，即使長(zhǎng)期熄燈情況下也可以運(yùn)行。 　　熱能采集器的制造商利用了 Seebeck 效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，熱電偶通過(guò)冷、熱極板的溫差而發(fā)電。EnOcean 最近在德國(guó)慕尼黑舉辦的 Electronica 展會(huì)上演示了這種熱能采集器。演示相對(duì)比較簡(jiǎn)單。在一個(gè)演示過(guò)程中，一個(gè)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(gè)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(gè)杯中液體溫度與周?chē)諝鉁囟戎g的溫差來(lái)產(chǎn)生能量。

　　但是，EnOcean 的熱能采集器也是采能市場(chǎng)上某些障礙的一個(gè)良好例子。EnOcean 的業(yè)務(wù)是設(shè)計(jì)使能技術(shù)。它正在尋找具有能激發(fā)對(duì)終端設(shè)備興趣將技術(shù)推向市場(chǎng)的好思路的合作伙伴。現(xiàn)在，熱能采集器正在等待著這樣的合作伙伴。
當(dāng)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(shù)。很多學(xué)校和研發(fā)機(jī)構(gòu)都正在從各個(gè)角度研究這個(gè)問(wèn)題。荷蘭埃因霍溫的 Holst 中心可能是能量采集技術(shù)的領(lǐng)跑者。研究巨頭 IMEC（比利時(shí) Leuven 的院校間微電子中心）與Dutch研究所 TNO（荷蘭機(jī)構(gòu)）在 2005 年共同建立了 Holst 中心。在 Holst，無(wú)線(xiàn)自主換能

器解決方案是一個(gè)重要的計(jì)劃，它就包括了能量采集。Holst 中心正在研究熱、振動(dòng)和 RF 方案。

　　IMEC 在半導(dǎo)體和 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)方面有深入研究，能量采集工作利用這些長(zhǎng)處也就不令人意外了。在熱能領(lǐng)域，Holst 的研究者專(zhuān)注基于 MEMS 的溫差電堆方案，以創(chuàng)建一個(gè) TEG（熱電發(fā)電機(jī)）。溫差電堆基本上是一個(gè)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(gè)元件產(chǎn)生的電壓。元件之間并聯(lián)，從熱學(xué)上將冷結(jié)點(diǎn)或參考結(jié)點(diǎn)捆綁在一起，并連接到相對(duì)的熱結(jié)點(diǎn)。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(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用的需求，因?yàn)樾枰芏嘣?lián)才能產(chǎn)生有用的電壓。但 Holst 的官員相信，該所能用一個(gè) MEMS 方案建立一個(gè)可接受的陣列。即使采用了 MEMS 方案，半導(dǎo)體的微型體積也會(huì)帶來(lái)問(wèn)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(dǎo)。Holst 研究者們希望在一個(gè)硅圓環(huán)上構(gòu)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(dǎo)問(wèn)題。

　　Holst 的研究者們正在致力于一個(gè)原型設(shè)備，并同時(shí)開(kāi)發(fā) MEMS TEG。原型設(shè)備是一個(gè)血氧定量計(jì)，這種醫(yī)療儀器可以測(cè)量心率和血液中的氧含量。原型使用了一個(gè)類(lèi)似醫(yī)療設(shè)備使用的商用指尖傳感器。它耦合到一個(gè)低功耗運(yùn)行的電子子系統(tǒng)。

　　Holst還必須制造出一個(gè)可以運(yùn)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(gè)熱電偶元件，尺寸約為5cm²~6cm²。溫差電堆裝成外形像手表，基準(zhǔn)熱極板放在皮膚上。人類(lèi)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(dòng)脈處，以獲得最高的溫度。

　　在環(huán)境溫度為22℃時(shí)，原型TEG可以提供100mW功率。血氧定量計(jì)的設(shè)計(jì)可以完成測(cè)量和無(wú)線(xiàn)傳輸，并每隔15秒無(wú)線(xiàn)傳輸測(cè)量結(jié)果一次，其時(shí)耗電為62mW。

　　開(kāi)發(fā)單片 TEG 的第一步是用于概念驗(yàn)證的 SiGe（硅化鍺）器件，不過(guò)研究者已經(jīng)開(kāi)發(fā)的模型清楚表明，SiGe 不會(huì)在原型近100mW時(shí)傳送任何東西。他們希望用SiGe TEG實(shí)現(xiàn)達(dá)到5mW。在這個(gè)功率級(jí)上，仍然可以運(yùn)行血氧定量計(jì)，當(dāng)然測(cè)量循環(huán)要低得多。項(xiàng)目總監(jiān)Bert Gyselinckx建議，系統(tǒng)可以每小時(shí)測(cè)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(jìn)得多，它在1mW下就可以運(yùn)行。

　　如果SiGe TEG能按計(jì)劃工作，該團(tuán)隊(duì)會(huì)用BiTe構(gòu)建一個(gè)基于MEMS的單片TEG。據(jù)Gyselinckx 說(shuō)，模型顯示這種設(shè)計(jì)可以提供30mW。兩種計(jì)劃中的單片設(shè)計(jì)將制成一個(gè)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(xiàn)上生產(chǎn)，而 BiTe 器件則不能。并且，盡管整個(gè) TEG 工作大有前途，但大批量市售TEG顯然還要等上幾年。

　　同時(shí)，Holst 研究者們正在從事一些其它應(yīng)用和其它類(lèi)型采集器的開(kāi)發(fā)。Gyselinckx 相信在助聽(tīng)領(lǐng)域?qū)?huì)出現(xiàn)其它醫(yī)療設(shè)備，甚至是植入人體的醫(yī)療設(shè)備。他說(shuō)：“人體內(nèi)存在一些熱梯度。”

　　Gyselinckx 還指出了在工業(yè)和工廠(chǎng)設(shè)置中的潛在應(yīng)用。在工廠(chǎng)中部署熱能采集器的設(shè)計(jì)者會(huì)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(chēng)，這樣能比較簡(jiǎn)單地不用新的電源線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)而增加監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)采集器和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。
　　關(guān)于其它采集技術(shù)，Holst正在探索壓電和靜電振動(dòng)采集器。對(duì)于這兩種情況，研究者將目光集中在用半導(dǎo)體制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)采集器。在靜電方案中，研究者希望采用MEMS技術(shù)和多個(gè)晶圓。出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，一個(gè)晶圓將相對(duì)底部的固定晶圓而運(yùn)動(dòng)，因此，變化的電容量為一個(gè)負(fù)載提供電流。

　　另外，Perpetuum也有基于振動(dòng)的采集技術(shù)。參考文獻(xiàn)1中列出了基本情況，不久以前，EDN報(bào)道了該公司最新的發(fā)電機(jī)（參考文獻(xiàn)2）。

　　當(dāng)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的問(wèn)題。這就是Holst構(gòu)建一個(gè)終端設(shè)備的原因之一。在Holst網(wǎng)站上可以看到DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，以及血氧定量計(jì)的詳情。

　　同樣，EnOcean的很多工作也是在系統(tǒng)級(jí)，如無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。該公司將自己的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(mǎn)足全世界管理機(jī)構(gòu)的要求。公司稱(chēng)在 50mW 功率下，該技術(shù)可以在 300m 范圍內(nèi)傳輸信號(hào)。

　　設(shè)計(jì)者在能量采集設(shè)備中將面臨的另一個(gè)問(wèn)題是對(duì)極低功耗IC和元件的需求。ALD（先進(jìn)線(xiàn)性器件）公司多年來(lái)一直在關(guān)注極低功耗 MOSFET 市場(chǎng)，現(xiàn)在希望將這些專(zhuān)業(yè)知識(shí)用于能量采集應(yīng)用

。公司首先推出了稱(chēng)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(jì)劃一個(gè)模塊系列，針對(duì)使用低功耗 MOSFET 的能量采集應(yīng)用。

　　據(jù)ALD首席執(zhí)行官Bob Chao稱(chēng)，使采集器運(yùn)行在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵是監(jiān)控存儲(chǔ)的能量，并控制喚醒處理器與其它電路的時(shí)間，完成手邊的任務(wù)。圖1的簡(jiǎn)圖指出了Chao所說(shuō)的觀(guān)點(diǎn)。必須有一些電路不斷監(jiān)控能量采集器的存儲(chǔ)，這就是ALD技術(shù)起作用的地方。

　　Chao稱(chēng)ALD將在2007年初推出三款用于振動(dòng)設(shè)備的模塊。他稱(chēng)為型號(hào) A 的模塊將是一個(gè) 4.5 mJ 器件，可以在 1.8V 時(shí)提供 25 mA 電流。該器件將偶爾提供這個(gè)負(fù)荷，根據(jù)不同振動(dòng)環(huán)境，也許數(shù)小時(shí)一次。這個(gè)能量將適合 Zigbee 應(yīng)用的臨時(shí)供電。其它模塊將提供更大的功率，但也許運(yùn)行的頻率會(huì)更低。Chao 稱(chēng)這些模塊將有相當(dāng)于 AA 電池的體積。

　　Chao 還稱(chēng) ALD 已在一系列汽車(chē)橋上振動(dòng)供電傳感器中使用了這種技術(shù)。通過(guò)的汽車(chē)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。但 Chao 沒(méi)有提到現(xiàn)在使用的設(shè)備的名稱(chēng)，因?yàn)?ALD 只是將此技術(shù)提供給合同商。

　　盡管今天的大多數(shù)能量采集技術(shù)還處于原型階段，但顯然在今后幾年內(nèi)，將會(huì)出現(xiàn)一些實(shí)際應(yīng)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(kāi)發(fā)基于振動(dòng)的采集器，面向軍隊(duì)?wèi)?yīng)用。設(shè)計(jì)者面對(duì)的挑戰(zhàn)將是采集技術(shù)與一個(gè)具有強(qiáng)大吸引力產(chǎn)品的完美組合。

參考文獻(xiàn)
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(kāi)發(fā)商們?cè)诟倪M(jìn)電池化學(xué)性質(zhì)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，擴(kuò)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(zhuān)家仍無(wú)法提供與電池體積和重量相適應(yīng)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(lái)，EDN 與其它很多出版物都報(bào)導(dǎo)了燃料電池技術(shù)，它可為筆記本電腦、PC、手機(jī)和汽車(chē)及家庭提供電能。EDN 在兩年前的專(zhuān)題中已發(fā)表過(guò)最新報(bào)導(dǎo)（參考文獻(xiàn)A），從那以后，燃料電池在真實(shí)世界中只獲得了有限的成功。

　　不久以前，微燃料電池進(jìn)入了我們的視線(xiàn)。微燃料電池基本上是采用 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中制成的燃料電池。但今年 EDN 報(bào)導(dǎo)說(shuō)這種微燃料電池看來(lái)不會(huì)用于主流應(yīng)用，如手機(jī)（參考文獻(xiàn) B）。

　　但是，這篇有關(guān)能量采集的文章關(guān)注的是那些合適的應(yīng)用，它可以從這種采用 MEMS 工藝構(gòu)建的小型引擎獲得某種潛在優(yōu)勢(shì)。

　　DARPA（美國(guó)國(guó)防先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)劃署）正在推動(dòng)這一研究，雖然其初衷主要是軍用。該計(jì)劃署指出碳?xì)淙剂系哪芰棵芏缺茸詈玫匿囯x子電池要高 50倍 ~ 100倍（參考文獻(xiàn)）。

　　同時(shí)，馬薩諸塞技術(shù)學(xué)院 Microsystems 技術(shù)實(shí)驗(yàn)室正在一個(gè)芯片上構(gòu)建一個(gè)真正的氣體渦輪引擎。同樣，MEMS 技術(shù)是關(guān)鍵，并且推動(dòng)力量也主要來(lái)自軍方（參考文獻(xiàn) D）。研究人員希望今年能獲得一個(gè)工作原型。

參考文獻(xiàn)
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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.