客观日本

东工大成功扩大环境振动发电元件带宽,更便于能量采集

2019年07月03日 电子电气

东京工业大学设计了用来扩大环境振动发电元件带宽的低阈值整流升压电路,并利用MEMS和集成电路开发了系统,成功实现了元件的大带宽化。利用这项成果有助于扩大环境振动发电元件的应用环境,同时还有望提高用于无线IoT传感器终端等的能量采集(环境发电)技术的性能。

本研究为扩大振动发电元件的使用带宽,设计了在环境振动频率下也能工作的低阈值整流升压电路,并提出了利用该电路开发机电系统的方案。另外,还利用MEMS和集成电路技术开发了系统验证了大带宽化。以前那些扩大带宽的方法需要采用特殊的机械结构及调节电路,因此元件尺寸会增大,而且各元件需要采用专用电路。

研究成果

此次,研究小组为扩大所有环境振动发电元件的带宽,设计了在环境振动频率下也可以工作的低阈值整流升压电路(VBR:Voltage-Boost Rectifier),并提出了利用该电路开发新机电系统的方案。图1为系统概要。

利用环境振动发电元件通过微弱的环境振动能量生成电能时,如果输入振动频率偏离环境振动发电元件的共振频率,输出会急剧下降。因此,以往的整流技术(图1中表记为二极管整流)仅在非常窄的带宽下提取电力。

东工大成功扩大环境振动发电元件带宽,更便于能量采集

图1:采用低阈值整流升压电路的大带宽环境振动发电系统的概要

此次的研究新开发了可在环境振动频率下(主要为1000Hz以下)工作的低阈值整流升压电路,并提出了将该电路连接到环境振动发电元件后段的新系统。图1中的低阈值整流升压电路的最低输入电压比以往的整流元件低,而且可以将输入电压提高到期望的水平。

这样一来,就可以将原来无法回收能量的频带中的振动能量转换成电能。另外,新提出的系统无论环境振动发电元件的机械结构如何都可以应用,因此具有很高的通用性。

在此次的验证实验中,如图2所示,利用MEMS和集成电路技术开发了实际系统。环境振动发电元件采用驻极体式MEMS振动发电元件,低阈值整流升压电路利用硅CMOS工艺制作。

东工大成功扩大环境振动发电元件带宽,更便于能量采集

图2:实际系统及其测量结果
输入加速度振幅为1mG的测量结果。G为重力加速度。

利用振动测试仪测量发电元件振动时的系统输出电压发现,与以往的二极管整流相比,带宽顺利扩大。输出电压为1.0V~3.3V时,与以往的技术相比,成功将带宽扩大了约3倍。

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文:JST客观日本编辑部翻译整理

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