从以太中提取能量并为轻便系统供电的采集器

　要 点
　　热、振动和射频都是潜在的能源，采集器可以将它们转换到微瓦功率量级。
　　采集器通常要储存能量供偶发性使用，设计时必须在能够偶尔工作的低功耗系统中包含这一部分。
　　设计通常要将能量采集与可以利用偶发低功耗源优点的应用联系起来。

世上没有免费的午餐，你的父母可能是这么教你的。当然，我们不可能从稀薄的空气中取得能量，是吗？但事实上，人体、工厂机器、各种型号的收音机，以及很多其它东西都在以热、振动或射频电波形式辐射能量。设计者可以发明一些系统，提取这些零星的能量，并转换用于电源系统，当然是极低功率的产品。你不会很快看到由以太供电的手机，但可能的现实应用包括便携医疗监控仪，甚至家庭自动化设备。

　　能量采集或提取并不仅是为了节省金钱，它还能促进有吸引力的新应用。技术行业中有远见的人有时会谈到一个时代，那时我们的生活到处都嵌入了微处理器。借用德州仪器公司（TI）首席研究员 Gene Frantz 在我们 50 周年纪念刊上的一段话：“差不多可以说我们正处在产品消失的道路上，那时产品将变得如此之小，体积已经无足轻重，但是功能却非常强大，我们实际上不知道它在哪里，而只知道拥

有它。”很容易想象，很多这类基于微处理器的装置在我们身边，以及在智能电灯开关或温度计内。

　　可以认为，微控制器已经渗入了我们的生活。Microchip 首席执行官 Steve Sanghi 认为：“当你早上醒来，你接触的第一件东西就是闹钟，然后可能是电动剃须刀、吹风机、搅拌机、冰箱……当你离开家时，你已经使用了大量微控制器。然后你坐进汽车里，车上有40种 ~ 50种微控制器，为你增加安全、舒适、便利和娱乐。”Sanghi 指出，微控制器监控着高速公路交通，而在工作中，我们还会面对无数其它设备。

　　今天，一个交流电源或电池可以方便地为所有这些设备提供电能。但下一步，当处理器嵌入到纺织品、墙面、桥梁等所有地方时，就需要电池的一种替代品，或者至少要有一种共生技术，它可以从以太中为电池充电，从而大大扩展电池的使用寿命。答案就是本文讨论的能量采集器，或某种新式小型燃料发电机（见附文“芯片上有引擎吗？”）。

　　正如 TI 公司 Frantz 所指出，采集能量并不新鲜。太阳能是一个已经实现了许多年的例子。Franz 说 TI 的太阳能手表和计算器已有很长历史。这些产品使用的电池可以用太阳能板进行充电。精工(Seiko)还销售一种手表，它通过人体热能供电。

　　还有一些制造商提供的使能技术实例，设计者能够以某种方式获取能量。从参考文献1中可以找到过去的技术报道和一些产品实例，例如，本文便涉及EnOcean的两款产品，它们可以用于家庭或建筑自动化设备。

　　EnOcean提供一种开关，主要用于照明控制，不过也可以用于控制电动窗帘、风扇，或其它在家庭或办公室内有墙面开关的设备。基本产品是ECO 100模块，公司称之为一个“电动力”采集器。该模块采用一个线圈和磁铁，两者共同将线性运动转换为能量。尤其特别的是，一个人按开关的动作就会产生一个突变的能量，因为螺线管会改变流经线圈的磁通量。公司以前为相同应用提供过一种压电式采集器，但称新设计效率更高。

　　EnOcean 将 ECO 100 捆绑在 PTM 200 开关模块内，公司正在照明和其它应用中销售该产品。当你按下照明开关时（图2），采集器产生足够的能量，激活 PTM 200 上的一个处理器和无线电，然后向接收器发送三个短的重复消息包。你可以将接收器集成在照明装置中，而过去你会用电线连接交流电源和照明装置。墙面开关既不需要接线，也不需要电池。接收器使用交流电源工作。

　　EnOcean 的销售与营销副总裁 Jim O'allaghan 称，与照明控制中的其它多数尝试不同，采集器方案具有经济意义，尽管一个开关的设计远比普通直接切换交流电源的墙面开关复杂。O'allaghan 称，因为不必往开关布放交流电线，这样节省的费用将能抵销开关和集成在装置中接收器的较高成本。

　　O'allaghan 说，PTM200的售价根据批量从10美元~20美元，完成的照明开关大约要50美元（单件）。你可以从 Ad Hoc Electronics 公司购买家用开关。Ad Hoc 的网站价格包括了开关和接收器模块，模块中带有一个继电器，用于切换交流电源，小批量价格大约是120美元。O'allaghan 称EnOcean在一个商用场所就已经销售了3000支~4000支开关。

　　你可以从技术角度说，EnOcean 的开关产品不是真正的采集器，因为它并不采集杂散能量。但它确实能够凭空完成工作。该公司正在开发太阳能产品和热能产品。参考文献 1 详细讨论了太阳能产品，它可以在建筑内的恒温器中找到自己的用途。这种产品可以采集白炽光源和荧光光源的能量，并有两种能量储存形式，即使长期熄灯情况下也可以运行。 　　热能采集器的制造商利用了 Seebeck 效应的优点，热电偶通过冷、热极板的温差而发电。EnOcean 最近在德国慕尼黑举办的 Electronica 展会上演示了这种热能采集器。演示相对比较简单。在一个演示过程中，一个人将一只手指放在极板上，产生能激活处理器的温差，然后将一个温度读数传送给连接在笔记本电脑上的接收器。第二次演示则利用了一个杯中液体温度与周围空气温度之间的温差来产生能量。

　　但是，EnOcean 的热能采集器也是采能市场上某些障碍的一个良好例子。EnOcean 的业务是设计使能技术。它正在寻找具有能激发对终端设备兴趣将技术推向市场的好思路的合作伙伴。现在，热能采集器正在等待着这样的合作伙伴。
当然，也许广泛部署的最大障碍就是更高效和更低成本的采集技术。很多学校和研发机构都正在从各个角度研究这个问题。荷兰埃因霍温的 Holst 中心可能是能量采集技术的领跑者。研究巨头 IMEC（比利时 Leuven 的院校间微电子中心）与Dutch研究所 TNO（荷兰机构）在 2005 年共同建立了 Holst 中心。在 Holst，无线自主换能器解决方案是一个重要的计划，它就包括了能量采集。Holst 中心正在研究热、振动和 RF 方案。[p]

　　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。

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.