本實用新型涉及微能源與自供能的微無線傳感器領域，具體涉及一種基于MEMS振動能量采集器的無線傳感器微電源。

背景技術：

作為感知物理世界信息重要組成部分的傳感器，目前主要通過傳統(tǒng)電池或電源供電，但傳統(tǒng)電池供電方式因其壽命短、更換不便、更換費用較高、易污染環(huán)境等大大限制了微型傳感器的發(fā)展與應用。MEMS壓電式振動能量采集器具有能量轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)構(gòu)簡單、并具備小型化、壽命長、無污染、易集成等優(yōu)點，可將其與微型傳感器集成在一起形成微電源，進而使得傳感器系統(tǒng)從外在電源的束縛中釋放出來，完全實現(xiàn)能量的自給自足，從而擺脫電源、電池的限制，開辟靈活多樣的應用，從而助推物聯(lián)網(wǎng)的跨越式發(fā)展。

在MEMS壓電懸臂梁式的振動能量采集器方面，2008年德國的Kuehne設計、制備和測試懸臂梁式壓電能量采集器，得其工作頻率為1kHz，且在0.2g的外界激勵下的其輸出功率為4.28μW。2012年美國的Berdy設計并制備了雙壓電晶體的壓電懸臂梁式能量采集器，為縮短整個裝置長度，懸臂梁向內(nèi)彎折，在0.2g的外界激勵下，經(jīng)測試諧振頻率為35Hz，且最大輸出功率為198μW。同年法國的Defosseux在SOI基片上鑲嵌了AIN薄片，進而制成了體積為2.8mm³的懸臂梁式振動能量采集器，經(jīng)測試得其諧振頻率為214Hz，且在0.25g的外界激勵下，其輸出頻率為0.62μW。

目前經(jīng)采集器轉(zhuǎn)換的電壓在毫伏級，且輸出功率在微瓦級，僅能對極低功耗的待供能設備提供電能，應用范圍非常窄。一些學者通過控制瞬間放電電路以提高超級電容的輸出功率，也有一些學者通過設計采集器的接口電路提高其輸出功率，進而驅(qū)動待供能設備。

現(xiàn)有微型壓電能量采集器存在的問題和缺點：

①微型器件實驗結(jié)果與理論結(jié)果吻合度較差。微彎曲、微壓痕等實驗證明器件尺寸達到微米級后尺寸效應影響明顯，傳統(tǒng)動力學難以解釋其原因。微型壓電能量采集器的輸出性能與器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關，需建立完善的理論模型來優(yōu)化系統(tǒng)的各項結(jié)構(gòu)參數(shù)，而目前缺少這方面的系統(tǒng)研究。

②器件的諧振頻率較高，與周圍低頻振動環(huán)境無法有效匹配。周圍環(huán)境的振動能量大部分分布在200Hz內(nèi)，當振動能量采集器的諧振頻率較高時就無法較好的匹配環(huán)境，進而無法有效的將振動能量轉(zhuǎn)換為電能。

③目前微輸出的MEMS能量采集器應用領域小。因MEMS采集器的輸出電壓(mV)與功率(μW)較低，結(jié)合現(xiàn)有的接口電路僅能為低功耗、短時間工作的待供能設備提供電能，而對具有較高額定電壓的設備就無法有效的供電，大大限制了MEMS采集器的應用領域。

技術實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術存在的不足，本實用新型公開了一種基于MEMS振動能量采集器的無線傳感器微電源、無線傳感器系統(tǒng)，本實用新型將能量轉(zhuǎn)換模塊，能量收集及存儲模塊，升壓模塊三大模塊一體化集成形成適合傳感器供電需求的微電源。將該微電源與待供能傳感器二次集成，從而實現(xiàn)傳感器的自供能。該設計進一步拓寬了振動能量采集器的應用范圍，同時也為微傳感器的自供能提供了契機。有效解決物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)以萬計的傳感器存在的長期穩(wěn)定供能難題。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的具體方案如下：

一種基于MEMS振動能量采集器的無線傳感器微電源，包括：

能量轉(zhuǎn)換模塊，用于實現(xiàn)環(huán)境振動能量向電能的轉(zhuǎn)換，所述能量轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的電能傳輸至能量收集與存儲模塊；

能量收集與存儲模塊，包括從能量轉(zhuǎn)換模塊獲得能量的超低功耗芯片，實現(xiàn)電能的高效收集，并將能量轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的微弱電能源源不斷提供給電池充電；

以及升壓模塊，所述升壓模塊用于實現(xiàn)將能量收集與存儲模塊輸出的信號進行升壓至設定值。

進一步的，所述能量轉(zhuǎn)換模塊包括串聯(lián)組成的2個完全相同的MEMS壓電式振動能量采集器，轉(zhuǎn)換的電能經(jīng)外部電路全波整流接入到能量收集與存儲模塊。

進一步的，所述能量收集與存儲模塊收集到的電能達到設定值時，升壓模塊開始啟動，實現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換。

進一步的，所述能量收集與存儲模塊包括電源管理單元，所述電源管理單元分別與一次充電單元及中間儲能單元相連。

進一步的，所述MEMS壓電式振動能量采集器的微壓電懸臂梁在外界振動能量驅(qū)動下產(chǎn)生彎曲變形，進而使壓電層產(chǎn)生彎曲變形，使壓電層的兩極間產(chǎn)生輸出電壓。

進一步的，所述MEMS壓電式振動能量采集器的兩處改進為：用Si質(zhì)量塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎳質(zhì)量塊，將Si梁做成T型梁，并將其與質(zhì)量塊加工成一體。

進一步的，所述MEMS壓電式振動能量采集器還包括依次設置在Si梁上且與Si梁形狀一致的下電極層、PZT壓電層及上電極層。

一種無線傳感器系統(tǒng)，將上述傳感器微電源與微型加速度傳感器集成為一體結(jié)構(gòu)。

本實用新型的有益效果：

本實用新型將能量轉(zhuǎn)換模塊，能量收集及存儲模塊，升壓模塊三大模塊一體化集成形成適合傳感器供電需求的微電源。將該微電源與待供能傳感器二次集成，從而實現(xiàn)傳感器的自供能。該設計進一步拓寬了振動能量采集器的應用范圍，同時也為微傳感器的自供能提供了契機。

附圖說明

圖1(a)T型能量采集器三維產(chǎn)品示意圖；

圖1(b)T型能量采集器正視圖；

圖1(c)T型能量采集器俯視圖；

圖2壓電式振動能量采集器諧響應分析結(jié)果；

圖3微電源集成示意圖；

圖4經(jīng)BQ25504設計手冊配置后電路圖；

圖5經(jīng)TPS61020設計手冊配置后電路圖。

圖中，1、PZT壓電層，2、Si梁層，3、質(zhì)量塊層，4、上電極層，5、下電極層。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明：

一種基于MEMS振動能量采集器的無線傳感器微電源，該微電源由能量轉(zhuǎn)換模塊，能量收集與存儲模塊和升壓模塊三個模塊組成。能量轉(zhuǎn)換模塊主要有2個完全相同的MEMS壓電式振動能量采集器串聯(lián)組成，其轉(zhuǎn)換的電能經(jīng)外部電路全波整流接入到BQ25504中，完成微弱電能的收集與存儲。當收集到的電能達到1V時，TPS61020芯片開始啟動，配置相應的外接電阻，實現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換。

壓電式能量采集器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其具體尺寸詳見表1。

表1振動能量采集器幾何參數(shù)

為降低微壓能量采集器的成本，與其他學者設計的壓電懸臂梁式振動能量采集器的研究相比此處做了兩點改進：①用Si質(zhì)量塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎳質(zhì)量塊，避免了電鍍工藝昂貴的費用及環(huán)境污染；②將Si梁做成T型梁，并將其與質(zhì)量塊加工成一體，縮減了加工工藝步驟。

如圖1(a)至圖1(c)所示，該能量采集器的結(jié)構(gòu)從上到下由五層構(gòu)成：上電極層4(Ti/Pt(50nm/300nm))，PZT壓電層1(PZT-5H)，下電極層5(Ti/Pt(50nm/300nm))，Si梁層2，質(zhì)量塊層3。

微發(fā)電裝置的核心是由微壓電懸臂梁構(gòu)成的振動發(fā)電機構(gòu)，尺寸量級在微米級，微壓電懸臂梁在外界振動能量驅(qū)動下產(chǎn)生彎曲變形，進而使壓電層產(chǎn)生彎曲變形，使壓電層的兩極間產(chǎn)生輸出電壓。經(jīng)Ansys中的諧響應分析可得其諧振頻率為226Hz，最大輸出電壓為0.2V，如圖2所示。

微電源的集成，根據(jù)供電需求，參考BQ25504和TPS61020的設計手冊配置相應的電感、電阻、電容的值，按圖3所示進行集成；實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換模塊、能量收集與存儲模塊和升壓模塊之間的無縫對接，進而實現(xiàn)與待供能設別的有效集成，開辟出更多靈活多樣應用，充分體現(xiàn)出微電源的價值。

將表1中幾何參數(shù)分別帶入到建立的具有微尺度系數(shù)的模型中得到的輸出性能與與實驗測試結(jié)果高度吻合，證明了其模型的準確性，對微壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的設計與制備起到了理論指導作用。

實驗條件：在“通用MEMS技術實驗室”通過Sol-gel工藝、濺射、光刻、SU8膠等工藝完成微壓電發(fā)電機構(gòu)的制備，并在PCB進行封裝。

試驗設備：信號發(fā)生器、激振臺、示波器、激光測振儀等。

將微壓電振動能量采集器與微型加速度傳感器集成形成自供能無線加速度傳感器系統(tǒng)，開拓了因傳統(tǒng)供電方式制約而無法使用傳感器的領域，助推物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的快速發(fā)展。

經(jīng)BQ25504設計手冊配置后電路圖如圖4所示。通過設置R1、R2的阻值實現(xiàn)BQ25504內(nèi)部最大功率的跟蹤，通過配置R3、R4實現(xiàn)BQ25504過壓保護，通過配置R5、R6實現(xiàn)BQ25504欠壓保護。

將2個完全相同尺寸(表1)的采集器經(jīng)串聯(lián)后的電能接入到BQ25504中各引腳的電壓或電流隨時間的曲線圖如圖5所示。

TPS61020設計手冊配置后電路圖如圖5所示。通過配置R3、R4、C2是TPS61020的輸出電壓為5V。

能量轉(zhuǎn)換模塊中的壓電式振動能量采集器主要由均質(zhì)Si懸臂梁和PZT-5H等部件組成，實現(xiàn)環(huán)境振動能量向電能的轉(zhuǎn)換。當機械結(jié)構(gòu)達到微米級別時，大量實驗結(jié)果表明器件的性能受尺度效應影響較大。本設計充分考慮微尺度效應的影響，建立具有微尺度系數(shù)的能量采集器動力學模型即對壓電式振動能量采集器進行了相應的改進，并探討器件輸出功率和諧振頻率的影響因素，進而優(yōu)化器件尺寸，為后續(xù)器件制備與功能參數(shù)的標定提供理論指導。

關于能量收集與存儲，如何實現(xiàn)經(jīng)能量采集器轉(zhuǎn)換的電能的高效再利用依然是亟待解決的問題，一些學者通過嚴格控制采集器電路中超級電容的充放電時間來提升其輸出功率，難以有效滿足一般設備供能的需求。本設計中的能量收集與存儲模塊采用可在低至80mV的情況下從能量轉(zhuǎn)換模塊獲得能量的超低功耗芯片BQ25504芯片，在其外部配置相應阻值的電阻、電感和電容，實現(xiàn)電能的高效收集，并將能量轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的微弱電能源源不斷提供給鋰電池充電，直至充滿至3V。

關于升壓模塊，傳感器采集的信號經(jīng)放大電路，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換處理后，接入到后續(xù)的數(shù)據(jù)處理模塊中。因放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路工作電壓5V的需求，本設計的升壓模塊由TPS61020芯片及相應阻值的電阻、電感和電容組成，通過配置TPS61020的外接電阻實現(xiàn)輸出電壓為5V。

對微壓電振動發(fā)電機構(gòu)進行系統(tǒng)的理論研究的最佳實施方式是充分考慮微尺度效應的影響，建立具有微尺度系數(shù)的動力學模型，從而將微型器件的系統(tǒng)建模與宏觀系統(tǒng)的建模區(qū)別開來。

為了擺脫傳統(tǒng)供電方式的束縛，本設計采用BQ25504超低功耗芯片實現(xiàn)將采集器實時轉(zhuǎn)換的微弱能量進行收集并存儲，并通過TPS61020升壓至5V。將采集器，BQ25504及外接電路，TPS61020及外接電路一體化集成形成一個穩(wěn)定的5V微電源，再將其與待供能傳感器集成實現(xiàn)傳感器電能的自給自足，從而完成信息的捕獲、發(fā)射與接收。

該微電源的應用領域具體為：傳感器、FR發(fā)射器、微控制器及執(zhí)行器。該微電源可以與上述電氣設備分別集成在一起，實現(xiàn)相應設備或器件的自供電。

上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。