微能量收集

自从人类有了自我意识以来，人们就一直在努力利用地球上的免费能源;风能，太阳能，热能和水力。从宏观上看，人类的梦想已经实现。下一个前沿领域是在微观尺度上捕捉能量。

在宏观层面上，风能和太阳能的发展提供了巨大的能源走廊，在世界各地产生了兆瓦级的电力。展望未来，这种自由能源的宏观实施没有任何减弱的迹象。然而，随着技术不再有重大飞跃，自由能谱的这一端正在迅速接近成熟。对于风能、太阳能、热电和水力发电，技术曲线已经或接近稳定，目前大多数收益都是增量的，主要是设备的效率。

图1。21世纪大规模的风能和太阳能技术。

然而，在微观尺度上，情况恰恰相反。收集的清除能量的发展，无论是副产品还是免费的，才刚刚开始在实际规模上发展。事实证明，从技术上讲，在大范围内捕获能量比在微观范围内更容易实现。

原因很简单——权力规模的经济。大型发电技术和技术根本无法扩展到微观层面，而且更容易实施。在宏观层面上，应用是固定的，需要环境硬化，处理高电压和电流，并涉及电力传输技术。所有这些都很成熟，也很容易理解。在微观层面上，需要一种完全不同的方法来捕获游离或被清除的能量。诸如外形因素、重量、生物安全性、便携性、透明度和所有其他定义轻质、便携式、对人类友好的设备的考虑因素是驱动因素。

开发和部署能够捕获、存储和传输微或纳米级清除能量的微功率设备的技术演变，直到最近(过去五年左右)才变得现实起来。在很大程度上，得益于纳米技术，微电子技术可以从人类的呼吸和无线电波等来源中获取能量，这很快就会成为现实。

今天在这个领域有什么
目前的工作领域中，微尺度EH一般用于电池、超级电容器或其他储能设备的充电。EH技术的广泛应用仍处于起步阶段，但有一个显著的例外——传感器。虽然理论上可以扩展到使用EH作为主要电源，但应用还不完全到位。在EH成为可行的主要电源之前，他们需要进一步降低电力需求。

今天的EH技术已经实现了传感器在交通基础设施、医疗设备、工业传感、楼宇自动化和资产跟踪等行业的应用。

在传感器领域深入研究，EH技术特别适用于位于偏远、孤立或环境极端位置的传感器，没有任何类型的主电源。幸运的是，EH模块通常可以捕获大量的太阳能或风能，以支持传感器的电源供应，在许多情况下，用于传输传感器数据的无线电。

现代传感器足迹已经发展到可以通过非常低的电流和电压供电的地步。此外，它们是“智能电源”，这意味着在需要唤醒电路之前，监视器或控制电路的功耗可以忽略不计。例如，传感器可以被编程为定期唤醒并读取数据。或者，如果被测材料发生根本性变化，极低功率的监测电路可能会唤醒系统。

在射频端，无线电一直处于休眠状态，直到传感器唤醒它。在这一点上，通常只有几毫秒的电力周期，而传感器数据传输。在此之后，电路回到睡眠状态，直到下一个周期。对于这种类型的应用，EH正在成为一种可行的电源技术。

一切都与技术有关
进入21世纪，半导体技术正以疯狂的速度发展。不断发展的半导体工艺包括单纳米栅几何、零功率和纳米功率金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、三维互补金属氧化物半导体(CMOS)结构(也称为finfet)。同样，在尖端半导体复合材料(例如高k介电材料)方面也有了巨大的飞跃。这些都是前卫的发展，通过实现低功耗、小型化设备，能够在没有备用能源存储设备的情况下收集超低功率电源，将微型能量收集产品引入网络。

图2。垂直或“3D”晶体管(由英特尔提供)和零/纳米功率mosfet(由Advanced Linear Devices提供)。

目前的能量收集模块无法捕获约300mv和20 μW以下的能量。因此，这些EH模块在其本机配置中无法利用许多超低源选项，因为其输出远低于这些设备所需的输入阈值。其中一些，如太阳能和压电，可以级联在各种配置中，以产生足够的能量为当今的模块供电，但这加大了占地面积，使其不适合许多尺寸和重量受限的应用。因此，许多超低能源仍未开发。

然而，由于技术的新发展，边缘制造商已经开发出独立的超低电压升压模块，能够将超低电源提升到与当前的EH模块兼容的水平。这种模块能够利用输出低至40 mV和2 μW的超低功率源。这些设备允许捕获许多以前孤立的废物或清除源，如单电池光伏，压电，环境辐射，热电发电机(teg)，生物力学源(人体运动，呼吸)，射频(RF)和嵌入式系统(植入式射频识别- RFID)。有了这个超低电压模块，这些电源现在可以被捕获并用作可行的电源。

EH资源及其未来

• 光伏．也许最多产的超低电压源是光伏。这是一种很好理解和成熟的大规模发电方法，是一种理想的、几乎取之不尽、对环境友好的微动力来源。它也是无所不在的自由能源的来源之一，即使不是最理想的。现在技术可以从单个光伏电池中捕获和利用能量，它作为收获能源的潜力是无限的。一个值得注意的未来应用是由单层光伏电池组成的超薄隐形皮肤，它可以覆盖在手机屏幕上，为手机提供运行电力。
• 压电．压电能是由晶体材料中机械态和电态之间的线性机电相互作用产生的。它是一种成熟且被广泛理解的能量来源。由于它是非常可扩展的，它可以配置为所有级别的EH应用提供能源。在未来，非常小的压电发电机(50 μW或更低)将能够为新的超低功率模块供电。这种应变可以来自许多来源——例如运动、低频地震振动、声波噪声、发动机振动或鞋跟撞击地面时的冲击。EH系统的一种边缘能量供应是微尺度设备中的晶体，例如在收集微水力能量的设备中。在该装置中，加压液压流体的流动驱动一个由三个压电元件支撑的往复活塞，将压力波动转化为交流电。这个电流可以用来为任意数量的设备供电。
• 环境辐射射频。在自然和人为环境中，来自自然源或无处不在的无线电传输的环境射频是较热的潜在EH源之一。然而，大多数环境射频源的可用可用能量非常少，需要超低阈值能量收集模块。一种理论上的解决方案是在靠近辐射无线能量源的地方放置一个大表面积的收集器，并从射频波中清除能量。将开发具有特殊天线的天线场，可以收集足够的能量，从杂散无线电波或理论上甚至是电磁(EM)源产生有用的功率，通过超低输入EH模块实现。
• 热电发电机。teg由两个不同的材料结组成，形成热梯度。电压一般为每个结100 ~ 200 μV/K。对于目前的EH应用，通过串联/并联连接多个结来获得合适的电压输出。有了新的单组分EH模块，就需要连接连接液滴，使实际的TEG器件比目前可用的占地面积小得多。这意味着TEG设备在对足迹敏感的应用(微传感器，生物医学)中变得更加实用。即将开发的是能够在更高温度梯度下工作的材料，并且可以在不导热的情况下良好导电，提高效率和对人体等热敏性设施的适用性。
• 生物力学的来源．生物机械能量收集器的潜在应用正在引起轰动。人体有能力提供一个广泛的平台，可以收集能量。关节运动、体温、呼吸、水分和冲击(行走)都是潜在能量的产生者。一个实验模型将它绑在膝盖上，可以产生大约2.5瓦的功率。这足够为一些手机供电了。在其他领域，新的超低电压捕捉模块，使用人类呼吸作为小型风力涡轮机的动力源，或者使用声音或音箱振动，都是可能的。
• 嵌入式系统．最后，但并非最终，嵌入式系统正越来越多地融入我们生活的方方面面。从闹钟到电脑再到安全系统，有很多设备都是由可编程微芯片控制的，在某种程度上，这些设备可以由EH系统供电，而不是电池或超级电容。

当然，并不是所有的应用都需要一个超低电压模块。但最新系列产品所做的是扩大现有的竞争环境。许多现有的EH源都可以设计成与它们一起工作。

结论
虽然低功耗能量收集技术才刚刚开始剥离技术层面，但摩尔定律正在努力发挥作用。超低电压能量收集技术是实现下一代能量收集在线所需技术的门槛。一旦能够捕捉低电压和个位数微瓦能量的能力成熟一点，并向下扩展，世界将在许多领域看到它的好处——生物医学、射频、各种类型的传感器和消费设备，仅举几例。

技术将继续把组件集成成更小、更轻、更可靠的组件。一旦实现了这一点，它将产生广泛的影响，因为它改变了碳足迹的游戏计划。单个集成模块的效率更高，侵入性更小(特别是在生物识别应用中)，由于消除了单独的组件互连，因此更不容易出现故障，而且比双模块方法更便宜。唯一的问题是什么时候。