从以太中提取能量并为轻便系统供电的采集器
IMEC 在半导体和 MEMS（微机电系统）技术方面有深入研究，能量采集工作利用这些长处也就不令人意外了。在热能领域，Holst 的研究者专注基于 MEMS 的温差电堆方案，以创建一个 TEG（热电发电机）。温差电堆基本上是一个热电偶元件阵列。这些元件在电气上串行连接，使温差电堆累加每个元件产生的电压。元件之间并联，从热学上将冷结点或参考结点捆绑在一起，并连接到相对的热结点。温差电堆的温差越大，产生的电流也越大。
正如所料，商用温差电堆还太贵，无法满足应用的需求，因为需要很多元件串联才能产生有用的电压。但 Holst 的官员相信，该所能用一个 MEMS 方案建立一个可接受的阵列。即使采用了 MEMS 方案，半导体的微型体积也会带来问题。热电偶的高度本身就可以产生板与板之间的寄生热传导。Holst 研究者们希望在一个硅圆环上构建热电偶阵列，这样既增加了空间，也提供了极板间的隔离气隙，解决寄生热传导问题。
Holst 的研究者们正在致力于一个原型设备，并同时开发 MEMS TEG。原型设备是一个血氧定量计，这种医疗仪器可以测量心率和血液中的氧含量。原型使用了一个类似医疗设备使用的商用指尖传感器。它耦合到一个低功耗运行的电子子系统。
Holst还必须制造出一个可以运行的单片TEG。原型采用BiTe（碲化铋）制造的分立温差电堆，它总共有5000个热电偶元件，尺寸约为5cm2~6cm2。温差电堆装成外形像手表，基准热极板放在皮肤上。人类皮肤的温度通常是33℃。Holst 研究者们将手表式TEG固定在手腕内侧的桡动脉处，以获得最高的温度。
在环境温度为22℃时，原型TEG可以提供100mW功率。血氧定量计的设计可以完成测量和无线传输，并每隔15秒无线传输测量结果一次，其时耗电为62mW。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/176580.htm
开发单片 TEG 的第一步是用于概念验证的 SiGe（硅化锗）器件，不过研究者已经开发的模型清楚表明，SiGe 不会在原型近100mW时传送任何东西。他们希望用SiGe TEG实现达到5mW。在这个功率级上，仍然可以运行血氧定量计，当然测量循环要低得多。项目总监Bert Gyselinckx建议，系统可以每小时测量数次，而不是每分钟四次。值得一提的还有，Holst采集器要比精工的温差发电手表先进得多，它在1mW下就可以运行。
如果SiGe TEG能按计划工作，该团队会用BiTe构建一个基于MEMS的单片TEG。据Gyselinckx 说，模型显示这种设计可以提供30mW。两种计划中的单片设计将制成一个1cm2的芯片，这是TEG的占位面积。尽管 BiTe TEG 理论上要比 SiGe TEG 更便于制造，但 SiGe 器件已经能在很多 CMOS 线上生产，而 BiTe 器件则不能。并且，尽管整个 TEG 工作大有前途，但大批量市售TEG显然还要等上几年。
同时，Holst 研究者们正在从事一些其它应用和其它类型采集器的开发。Gyselinckx 相信在助听领域将会出现其它医疗设备，甚至是植入人体的医疗设备。他说：“人体内存在一些热梯度。”
Gyselinckx 还指出了在工业和工厂设置中的潜在应用。在工厂中部署热能采集器的设计者会发现很多可用的热量梯度。但为什么要在供能充足的地方使用采集器？Gyselinckx 称，这样能比较简单地不用新的电源线和数据线而增加监控网络，从而实现采集器和无线网络的结合。
关于其它采集技术，Holst正在探索压电和静电振动采集器。对于这两种情况，研究者将目光集中在用半导体制造技术实现采集器。在静电方案中，研究者希望采用MEMS技术和多个晶圆。出现振动时，一个晶圆将相对底部的固定晶圆而运动，因此，变化的电容量为一个负载提供电流。
另外，Perpetuum也有基于振动的采集技术。参考文献1中列出了基本情况，不久以前，EDN报道了该公司最新的发电机（参考文献2）。
当然，Holst、EnOcean和其它公司的研究者们亦面临着低功耗电路和低功耗无线网络技术的问题。这就是Holst构建一个终端设备的原因之一。在Holst网站上可以看到DC/DC转换器设计细节，以及血氧定量计的详情。
同样，EnOcean的很多工作也是在系统级，如无线网络。该公司将自己的无线网络选择在 868.3MHz 频段，在此频段，它可以用调幅作短数据包突发传输，并满足全世界管理机构的要求。公司称在 50mW 功率下，该技术可以在 300m 范围内传输信号。
设计者在能量采集设备中将面临的另一个问题是对极低功耗IC和元件的需求。ALD（先进线性器件）公司多年来一直在关注极低功耗 MOSFET 市场，现在希望将这些专业知识用于能量采集应用
。公司首先推出了称为零阈值的MOSFET，它工作在低至 200mV的栅极阈值。然后，该公司推出了这种 MOSFET 的可编程阵列，现在计划一个模块系列，针对使用低功耗 MOSFET 的能量采集应用。
据ALD首席执行官Bob Chao称，使采集器运行在实际应用中的关键是监控存储的能量，并控制唤醒处理器与其它电路的时间，完成手边的任务。图1的简图指出了Chao所说的观点。必须有一些电路不断监控能量采集器的存储，这就是ALD技术起作用的地方。
Chao称ALD将在2007年初推出三款用于振动设备的模块。他称为型号 A 的模块将是一个 4.5 mJ 器件，可以在 1.8V 时提供 25 mA 电流。该器件将偶尔提供这个负荷，根据不同振动环境，也许数小时一次。这个能量将适合 Zigbee 应用的临时供电。其它模块将提供更大的功率，但也许运行的频率会更低。Chao 称这些模块将有相当于 AA 电池的体积。
Chao 还称 ALD 已在一系列汽车桥上振动供电传感器中使用了这种技术。通过的汽车会产生振动。但 Chao 没有提到现在使用的设备的名称，因为 ALD 只是将此技术提供给合同商。
尽管今天的大多数能量采集技术还处于原型阶段，但显然在今后几年内，将会出现一些实际应用。另外一些公司包括 Thermo Life，正在致力于热能采集器的工作。MicroStrain 和 Ferro Solutions 正在开发基于振动的采集器，面向军队应用。设计者面对的挑战将是采集技术与一个具有强大吸引力产品的完美组合。
参考文献
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:芯片上有引擎吗？
一方面，电池开发商们在改进电池化学性质方面取得了长足进步，扩展了电池寿命，制造出了更小的电池，并改善了充电性能。另一方面，电池方面的专家仍无法提供与电池体积和重量相适应的能量密度。因此，研究者们继续寻找替代品，如燃料电池，甚至小型燃料引擎。
多年来，EDN 与其它很多出版物都报导了燃料电池技术，它可为笔记本电脑、PC、手机和汽车及家庭提供电能。EDN 在两年前的专题中已发表过最新报导（参考文献A），从那以后，燃料电池在真实世界中只获得了有限的成功。
不久以前，微燃料电池进入了我们的视线。微燃料电池基本上是采用 MEMS（微机电系统）技术，在半导体结构中制成的燃料电池。但今年 EDN 报导说这种微燃料电池看来不会用于主流应用，如手机（参考文献 B）。
但是，这篇有关能量采集的文章关注的是那些合适的应用，它可以从这种采用 MEMS 工艺构建的小型引擎获得某种潜在优势。
DARPA（美国国防先进技术研究计划署）正在推动这一研究，虽然其初衷主要是军用。该计划署指出碳氢燃料的能量密度比最好的锂离子电池要高 50倍 ~ 100倍（参考文献）。
同时，马萨诸塞技术学院 Microsystems 技术实验室正在一个芯片上构建一个真正的气体涡轮引擎。同样，MEMS 技术是关键，并且推动力量也主要来自军方（参考文献 D）。研究人员希望今年能获得一个工作原型。
参考文献
A. Strassberg, Dan, Fuel-cell technology: The glass is half-full ... with methanol fuel, EDN, May 27, 2004, pg 53.
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.
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