超低功耗MCU的發展創造了一個巨大且不斷擴容的能量收集市場，無論是規劃便攜式電池供電設備，還是希望提高大型設備的能源效率，所有設計工程師都在積極將能量收集技術納入他們的產品中。

能量收集技術為從周圍環境中采集能量，為各種低功耗設備供電提供了一條有前景的途徑。目前有幾種常用的能量收集技術，常見的能源是光、熱、振動和射頻。然而，除了屋頂太陽能電池板，其他幾種能量收集技術都只能產生較低的能量。在實際應用中，設計人員可以將一個或多個技術疊加使用，以便為更廣泛的應用提供連續和可再生的能源。

MEMS能量收集技術與應用

能量收集技術利用了環境中可用的各種環境能源，一些常見的轉換方法包括：

1. 光伏轉換：通過光伏電池中的光電效應將太陽能轉換為電能，產生直流（DC）輸出。

2.熱電轉換：使用熱電材料將溫差轉換為電能，當出現溫度梯度時，熱電材料會產生一定的電壓。

3.電磁感應：機械運動或磁通量的變化在電線線圈中感應出電動勢（EMF），通過電磁感應產生電力。

4.壓電效應：施加在壓電材料上的機械應力或振動會產生電荷，這些電荷可以被收集并存儲為電能。

近幾年熱門的基于微機電系統（MEMS）的壓電發電技術可以從低水平的環境振動源中獲取電力。該技術憑借微型化、低功耗和集成化等優勢，正在成為可持續能源領域的關鍵發展方向。其優勢主要體現在四個方面：

小型化與集成化。MEMS設備尺寸小巧，可無縫集成到物聯網傳感器、可穿戴設備或植入式醫療工具等微型系統中。

可持續性和免維護運行。MEMS的能量收集技術可產生微瓦到毫瓦的功率，為低功耗的物聯網設備供電，能極大限度地延長設備的使用壽命，同時減少了更換遠程傳感器中的電池等維護需求。

成本效益。MEMS制造使用批處理（例如光刻和蝕刻），原始成本低，降低了大規模部署的單位成本。

靈活性和環境適應性。柔性結構設計，例如柔性壓電聚合物可以集成到彎曲或可穿戴的表面（如鞋墊或智能服裝）中，拓寬了能量收集技術的應用范圍。

現在，人們對利用環境或人體等來源的能量進行體內治療越來越感興趣。MEMS是一種小型化的機械和電氣系統，它在微小的尺寸上結合了電氣和機械部件，通常尺寸從幾微米到幾毫米不等，基于MEMS的能量收集系統因緊湊的尺寸和高性能被廣泛應用于各種低功耗應用。

電動汽車（EV）和自動駕駛的增長可能會為汽車系統中的MEMS能量收集創造機會，例如可從輪胎振動或發動機熱量中收集能量。柔性電子和可穿戴設備的進步正推動集成能量收集技術的發展，例如可將壓電材料整合到智能服裝中。隨著MEMS能量收集技術的不斷完善，其在醫療領域的應用也在逐漸擴大。醫療微創手術機器人中內置MEMS能量收集器，可有效避免外部線纜束縛，降低了手術的復雜性。

在微量給藥與藥物控釋領域，由于人體的限制，電源和生物相容性的挑戰構成了重大障礙。為了應對這些挑戰，科學家們正在探索將MEMS能量收集技術與用于醫療目的的微藥物輸送相結合。在可植入設備領域，開發自充電起搏器充滿了挑戰。通常的起搏器需要特定范圍的電力和電壓，雖然基于MEMS的能量收集器具有為植入式生物醫學設備（IMD）供電的潛力，但它們的性能受到各種因素的影響。用于IMD應用的微型能量收集器的進展表明，基于MEMS的能量收集器有望很快用于實際應用。

MEMS能量收集中的關鍵元器件

圖2：相比傳統晶振，Murata的32.768kHz MEMS諧振器可節省65%的尺寸（圖源：Murata）

Murata有多種可用于MEMS能量收集的產品，以超小32.768kHz MEMS諧振器“WMRAG系列”為例，其尺寸比傳統的晶體諧振器小50%以上，通過低ESR（75kΩ）化，降低了半導體集成電路的增益，可生成穩定的基準時鐘信號，其功耗也比傳統產品減少13%。此外，該產品還具有出色的頻率精度和溫度特性，工作環境在-30℃至85℃時，頻率溫度特性在160ppm以下，初始頻率精度更是高達±20ppm。將其用于對尺寸和功耗要求較高的能量收集相關設備中，可為設備提供穩定的時鐘信號。

MEMS慣性傳感器是MEMS能量收集系統的重要器件。村田有SCA3300-D01三軸加速度傳感器、SCH16T-K01六軸MEMS慣性傳感器等產品可供選擇。

其中SCA3300-D01基于成熟的3D-MEMS電容技術，內部集成感應測量元件和ASIC應用電路，在較寬的溫度和振動范圍內具有極其穩定的輸出，并且能進行自檢。

SCH16T-K01利用3D-MEMS工藝升級強化，包括先進的MEMS陀螺儀和加速度計，陀螺儀典型零偏不穩定性為0.5°/h，加速度計動態范圍高達26g，在整個溫度范圍內表現出卓越的線性和偏移穩定性，輸出經過內部交叉軸補償，無需用戶端大量校準。在MEMS能量收集中，可通過檢測物體的運動來實現能量的收集和轉化，例如在一些可穿戴設備或移動設備中，利用人體運動產生的動能進行能量收集。也可用于工業設備的狀態監測，通過檢測設備的振動等運動信息來判斷設備是否正常運行，同時可將振動能量轉化為電能進行收集。

圖3：SCA3300-D01三軸加速度傳感器（圖源：Mouser）

STMicroelectronics的一些MEMS傳感器在低功耗設計方面表現出色，有助于在能量收集系統中降低能耗，從而間接提高能量收集的效率和可用性，如LSM6DSV16X、LPS22DF、LPS28DFW、LIS2DU12等。雖然這些傳感器并非專門的能量收集器件，但它們的低功耗特性使其在與能量收集技術結合的應用中具有很大的優勢。

面向MEMS能量收集的電源管理

基于MEMS的能量收集設備所依賴的能源，如振動、熱梯度和光，可以在頻率、振幅和方向上變化。可變性使高效能量采集設備的設計面臨挑戰。收集的能量需要有效地管理和儲存，以供實際使用。開發能夠處理可變輸入功率并提供穩定輸出功率的高效電源管理電路和儲能解決方案對于現實應用至關重要。

Texas Instruments公司的bq25570納米功率升壓充電器和降壓轉換器，專門設計用于有效提取各種高輸出阻抗直流電源，如光伏（太陽能）或熱電發電機（TEG）產生的微瓦（μW）至毫瓦（mW）的功率，而不會使這些電源崩潰。電池管理功能可確保可充電電池不會因提取的電力而過度充電，也不會因系統負載而使電壓升高或耗盡到安全極限之外。除了高效的升壓充電器外，bq25570還集成了一個高效的納米級降壓轉換器，為無線傳感器網絡（WSN）等具有嚴格功率和操作要求的系統提供第二電源軌。

收集器提取能量的來源通常是零星的或時變的，系統通常需要某種類型的儲能元件，如可充電電池、超級電容器或傳統電容器，才能為系統提供恒定的功率。bq25570的設計具有靈活性，可以支持各種儲能元件。為了防止損壞客戶的存儲元件，bq25570能根據內部設置的欠壓（UV）和用戶可編程過壓（OV）水平監測最大和最小電壓。

圖5：bq25570典型的TEG應用電路（圖源：TI）

本文小結

能量收集市場規模龐大，增長迅速。據IDTechEx的分析師預測，2012年能量收集市場規模僅為7億美元，到2022年這一數值就超過50億美元，到2023年，僅熱電能收集市場就將達到8.65億美元。

MEMS能量收集在低功耗應用的小型化、可持續電源解決方案方面表現出色，解決了物聯網、醫療保健和環境監測中的電池限制問題。然而，其實際應用需要克服效率、頻率適應性和集成挑戰。

分析表明，目前可用的基于MEMS的能量收集器的可實現功率能力僅限于幾毫瓦，限制了它們的潛在應用。基于MEMS的能量收集器的未來趨勢是提高效率，重點是增加功率輸出。由于這些設備很多直接應用于人體，因此生物相容性也是選擇用于能量收集的MEMS材料時必須考慮的關鍵因素。此外，為了獲得更廣泛的應用，基于MEMS的能量收集設備必須具有成本效益。實現這一目標需要制造技術、材料科學和器件集成的共同進步。

MEMS能量收集技術構建了微系統與可持續能源的橋梁，為低功耗物聯網、醫療植入設備等提供了革新性解決方案。隨著材料科學與微納制造技術的進步，該技術將向自維持智能系統演進，并將推動萬物互聯與綠色電子的深度融合。