[论文解读] Design, Fabrication and Characterization of a Piezoelectric Microgenerator Including a Power Management Circuit

M. Marzencki, Y. Ammar+1 more|ArXiv.org|Feb 21, 2008

Innovative Energy Harvesting Technologies参考文献 3被引用 14

一句话总结

本文提出了一种紧凑的、与CMOS工艺兼容的压电微发电机，采用氮化铝薄膜作为压电材料，在约1 kHz的环境机械振动下工作，并集成了定制的低阈值电压电源管理ASIC，以高效整流亚毫伏信号。该系统体积小于1 mm³，最大输出功率达1 µW，可实现自供能的无线传感器节点。

ABSTRACT

We report in this paper the design, fabrication and experimental characterization of a piezoelectric MEMS microgenerator. This device scavenges the energy of ambient mechanical vibrations characterized by frequencies in the range of 1 kHz. This component is made with Aluminum Nitride thin film deposited with a CMOS compatible process. Moreover we analyze two possible solutions for the signal rectification: a discrete doubler-rectifier and a full custom power management circuit. The ASIC developed for this application takes advantage of diodes with very low threshold voltage and therefore allows the conversion of extremely low input voltages corresponding to very weak input accelerations. The volume of the proposed generator is inferior to 1mm3 and the generated powers are in the range of 1$μ$W. This system is intended to supply power to autonomous wireless sensor nodes.

研究动机与目标

• 开发一种微型化、与CMOS兼容的压电微发电机，用于在自主无线传感器节点中实现能量收集。
• 解决从微弱机械振动中产生的极低输入电压高效转换为可用直流电的挑战。
• 集成定制的低阈值电压电源管理电路，以提升亚毫伏输入电平下的能量转换效率。
• 展示一种完全封装、紧凑的微发电机，体积小于1 mm³，适用于嵌入式应用。

提出的方法

• 采用通过与CMOS工艺兼容的工艺沉积的氮化铝（AlN）薄膜作为压电材料。
• 采用基于MEMS的悬臂梁结构，设计为在环境机械振动下共振频率约为1 kHz。
• 集成具有低阈值二极管的定制ASIC，以整流由微弱加速度产生的极低交流电压（低至亚毫伏水平）。
• 对比两种整流方案：离散倍压整流器与完整的定制电源管理电路，以优化性能。
• 采用单片集成方法，将压电发电机与电源管理电路集成于单一紧凑封装中。
• 在受控振动激励下表征器件，测量不同输入加速度下的输出功率、电压和效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够实现一种与CMOS兼容的压电微发电机，集成电源管理电路，从而有效从低振幅、1 kHz的环境振动中收集能量？
• RQ2 集成具有超低阈值电压二极管的定制ASIC在亚毫伏输入电平下如何提升整流效率？
• RQ3 在真实环境振动条件下，体积小于1 mm³的微发电机最大可输出多少功率？
• RQ4 与离散倍压整流器相比，全定制ASIC电源管理方案在效率和面积效率方面的性能特征如何？
• RQ5 该系统在多大程度上可通过能量采集实现无线传感器节点的自持运行？

主要发现

• 所制造的微发电机在1 kHz机械激励下，对应低水平振动的输入加速度时，最大输出功率达到1 µW。
• 集成低阈值二极管的定制ASIC能够有效整流低于100 mV的输入电压，显著提升了弱振动源的效率。
• 系统总体积小于1 mm³，展示了适用于微型化应用的高集成度。
• 电源管理电路即使在极低输入信号幅度下也能提供稳定的直流输出，扩展了发电机的工作范围。
• 该器件证明了通过环境振动能量采集为自主无线传感器节点供电的可行性。
• 全定制ASIC方案在转换效率和面积效率方面均优于离散倍压整流器，验证了其集成优势。