我们最近看了看振动的一边:使用它的人一边在制造设备诊断的疾病。我暗示另一个方面,也就是我们今天来看看。前面的讨论是关于检测和解码振动。这个将对利用振动来获取能量。
是的,不是一个全新的概念,我们已经讲过,但我们之前已经在很大程度上被关注压电解决方案。今天的情况不一样了。
我们这次会关注涉及一个合作项目能量收割机从欧姆龙,从Imec系统的其余部分。我们将从MEMS收割机,然后开始看这些能量是如何管理的。
Imec声称这是第一个自给自足的这样的系统。我知道在globalfoundries几年前,有一个演示的第一个自给自足的收割机(压电)和其他的人做过自给自足的节点。但是Imec说他们第一次做一个完全自治节点消耗10µW以下,包括启动。但是…我得到的东西。(只是想吹嘘的权利。)
这种有悖常理的反馈,这意味着电源管理IC (PMIC)是由自己的输出,这意味着挑战,启动周期。
但首先,收割机本身。
呈现,活在你的聆听乐趣…驻极体!
欧姆龙的收割机使用MEMS驻极体。Non-MEMS驻极体在历史上被用于麦克风,但是,随着MEMS麦克风继续取得进步与传统驻极体麦克风,我已经越来越少的动机了解驻极体。这个项目改变了这一点。
驻极体是永久磁铁的电模拟。想象有一个电容器,将一个电压极化,画两条边的指控,然后以某种方式“冻结”那里的电容器。这将是一个驻极体。除了材料能自然地拥有这个属性;它不需要被创建(冻结的仅仅是一个想法锻炼插图——除非你真的可以这样做一个驻极体通过加热介质内强劲的电)。
所以一个驻极体是一种物质,内置的永久偶极子”。“压电材料需要变形形成一个偶极子;驻极体没有。驻极体周围有一个静电场的一个磁铁周围的磁场。
下面的图片展示了如何利用这种收获。
图片由欧姆龙
显示了驻极体吸引正电荷从相邻的金属电极在缺口。如果顶板移动相对于一个底部,更少的电极重叠和驻极体的影响,因此电荷吸引了。这个运动电荷随着顶板创建一个电压,可以做的工作。
除了作为一个快速,我不得不承认,在研究这个话题,我一直有这种唠叨的感觉,不知何故,电荷守恒被违反。毕竟,驻极体是一种介质,它不能进行收费。金属当然可以,但后来…哪里去了?它是如何得到取代?
我不得不提醒自己的两件事。
- 首先,这是一个交流系统。是的,当板块移动的一种方法,电荷移动。然后会回来的东西和滑动,所以平均而言,任何收费“打发”很快会回来。
- 第二,更微妙的是,我们(或者,至少,我)一直有种错觉的方便简化的概念”。“那是因为我们的大多数系统line-powered,然后我们得到了这个无限流入的消失,实际上,在地上。但这样的一个系统(就像你的手机)本身是一个完整的电路。没有“地面”,实际上高度地面尽管(上图)。与流动的指控,这是事实,是围绕左右。免费是使该系统的创建或销毁。
到目前为止,我们有一种方法来生成一个交流信号。现在我们需要把这变成有用的东西。(charge-loss问题唠叨我关于PMIC…上面的第2点仍然成立。)
和切换PMIC…*
从这里,我们需要纠正交流信号并将其转化为可以运行一个传感器节点。电压的一个挑战是:矿车产生10伏特(60),和这样的电压通常是不受欢迎的微妙的硅电路的电源接触。因此PMIC必须把这个友好的2.5 V。
下面的图显示了整个系统(“私营”被收割机)。C在拥有60 V;C出约2.5 V。
图片由Imec
(很明显,这个电路来自一篇论文Imec轮胎压力测量系统,使用了不同的收获。但它仍然适用于本项目。)
至少有两个关键的权力已经PMIC的最小化。一个是使用亚阈值设计虽然困难,可以有一个非凡的影响。第二是通过明智地使用的睡眠模式。
电源管理计量和报告的顺序是这样的:
- 在周期的开始,单片机(MCU),传感器子系统,和电台都睡着了。
- 单片机醒来和测量输出电压;在这一点上,它是运行在一个非常缓慢的8-MHz外部RC时钟;最低限度。我们的假设是,通过启动阶段,和有足够的力量最小的一步。
- 如果没有足够的电压,然后等待。
- 如果电压是好的,那么单片机打开32-kHz时钟晶体稳定时,然后睡觉。这是最长的周期的一部分。
- 一旦稳定,单片机醒来,醒来开始测量的传感器;的单片机测量发生时回到睡眠。
- 测量完成后,传感器再次唤醒单片机;单片机读取数据并将传感器回去睡觉。
- 然后单片机叫醒收音机电路和回到睡眠而无线电定居。
- 一旦收音机了,它唤醒了单片机。
- 然后单片机将数据发送到广播电路和回到睡眠。
- 无线传输数据,唤醒单片机回来的时候做。
- 然后单片机关闭收音机,睡觉,一个循环的圆不断重复着。
这可以总结为如下图。我使用一个测量功率图从Imec和覆盖在它的时间表是什么,当简单的相关性。
带注释的图礼貌Imec
PMIC本身消散不到10µW期间充实操作。
然后启动。在这一点上,没有足够的力量来运行整个PMIC(更少的传感器节点)。所以进入“直接充电”模式,它只是松鼠的电荷在帽直到所需的电压进一步进行。在此期间,PMIC只有50 nA。
一旦有足够的力量(2.2 V),则系统进入“不连续模式”与最大功率点跟踪翻译(MPPT),调整最大效率的实时转换。
也有一点滞后建于(尽管他们不称呼它)当驱动传感器节点。传感器直接充电模式时断开连接。一旦达到阈值,传感器连接有一个延迟时间,确保附加传感器不突然开车PMIC回直接充电模式。
这是他们的系统的本质,离开,当然,具体的转换电路。这个单位不需要电池备份——收费或以其他方式。消除了需要改变电池(Imec表明即使充电会每两年需要更换)。没有环境影响从电池材料。
*与道歉的读者不熟悉美国的“足球”的味道…事实上,“给”似乎没有逻辑的地方“脚”球赛…
你如何看待这个欧姆龙/ Imec项目比较其他能量收集工作做吗?
没有完全MEMS -
驻极体是MEMS时,共振弹簧不太复杂。这些弹簧是相对较大的/细观和金属在五金店(你会发现)。他们允许低共振频率< 100 Hz。但是,这些也限制大小(目前20毫米X 20毫米X ~ 7毫米)和降低成本的可能性,一个真正的全MEMS装置能够实现。温度限制,单位是有限的温度最高可达100摄氏度。这是由于有机材料用于创建驻极体电极表面。这对于高温应用程序是一个问题,就像在一个工业环境中可以找到。功率密度有限——众所周知,电容式振动能量收集(阿明费)技术可实现的功率密度低于压电或归纳阿明费。这是由于你不能增加电极表面电荷问超出最大值点。有机介质材料在这个设计允许一个像样的生成问。 But, the only way to increase this further is by increasing surface area, which lowers power density (or finding another material, which may be difficult). The maximum power currently achieved from the current configuration is 100 microWatts average AC, which post AC-DC conversion is ~70 microWatts DC using the IMEC designed electronics (kudos for the high conversion efficiency!) It is also well know that most wireless sensor nodes need an average of 100 microWatts DC or more (e.g. off-the-shelf Linear Tech/Dust Network WS nodes use 65-165 microWatts DC, depending upon duty-cycle). The bottom-line that this electret design is limited. That is unless you stack multiple units electrically together, which is something the Omron/IMEC team has shown can be done to achieve higher power or wider frequency bandwidth.
这听起来像,在大多数情况下,你与驻极体的问题。如果不同的收割机使用相同的PMIC(假设电压兼容),将解决的问题吗?
虽然我不想说代表Imec完全,我的期望是,这是一个研究项目,不是一个商业产品,所以我假设细化它去市场…