MEMS在微能源中的应用与发展趋势

MEMS在微能源中的应用与发展趋势

摘要：能源供电装置是微机电系统中重要的组成部分，普通能源供电装置存在尺寸大、能量密度低、寿命短等缺点，许多学者都致力于研究新型微能源供电装置。随着MEMS 的发展,微能源逐渐成为MEMS 应用中的一个关键问题。通过分析国内外参考文献，对MEMS 在微能源中的应用进行介绍，包括：电池式微能源、微型内燃机、振动驱动微能源、摩擦发电机。多种微能源装置各有特点，重点阐述了每种微能源装置的工作原理、研究现状以及当前研究需要克服的难题，最后概括了微能源装置的未来发展趋势。

关键词：MEMS；微能源；发展现状

0引言

微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件，是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术[1]。一般来说，MEMS系统性能稳定、精度较高，适合批量化生产，性能优劣反应了精密加工技术的发展水平。其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。微能源器件是MEMS系统中重要的组成部分，研究微能源器件的技术被称为微能源技术，微能源技术的发展对MEMS系统以及其他能源需求系统至关重要，人们一直希望微能源技术与MEMS技术能够互相促进，共同发展。

现有电源尺寸较大，不能集成于微小系统中；电源的能量密度较低，难以满足便携式电子设备的使用需求；电源使用寿命有限。在很多机电系统中，系统寿命并不取决于系统内机械零件的磨损程度，而是取决于电源装置的使用寿命，特别是在电源更换困难的机电系统中。正是因为上述原因，很多国内外学者都致力于研究新型微能源供电装置，以期提高机电系统的使用寿命和工作可靠性。

根据发电原理不同，微能源装置可分为微型电池和微型发电机。各有特点，适用场合也

各不相同。本文通过分析国内外参考文献，对微能源领域当前研究热点进行介绍，详细阐述了多种微能源装置当前研究现状以及未来发展趋势。

1微型电池简介

1.1薄膜电池

薄膜电池作为一种新型的微型能源器件，具有体积小、重量轻、比能量高等特点，受到了广泛的关注。伴随着新材料、新制备方法的涌现，薄膜电池作为一种新兴的微能源器件，正向着应用碳纳米管、有机高聚物等易加工、环保的材料，利用复印、打印技术低成本大量生产的方向发展。其应用领域也在不断扩展，从传统电子产品向化妆品、医用设备、智能卡、FJNA射频识别等领域延伸。

薄膜电池的基本结构如图1所示[2]。主要由一对正负电极、电解质以及与正负两极对应相连的集流体构成。整体由一个保护层包覆，再贴合到一个起支撑作用的基底上。整个电池的厚度在毫米级，而各电极层的厚度则通常在微米级。理想的薄膜电池可以在理论上认为宏观的各个层级之间的相边界中有纵横贯通的离子迁移通道。在休眠时电池内部不构成回路，当外接工作电路放电或充电时，电池对外放电做功的过程就是内部的离子在正负两极间的不断迁移，导致了此时有等量电荷在外电路以电子转移形式传输以平衡内部带有电荷的离子的转移!而实现对外电路的放电做功；而外电路对电池的充电做功过程就是外电路的电子转移而导致内部带有电荷的离子向着放电的反方向迁移，实现了外电路对电池的充电做功。

图1 薄膜电池的基本结构

1.2微型锂电池

微型锂电池当前研究热点在于全固态微型锂离子电池，其工作原理与常规锂离子电池相同，是通过锂离子在正、负极材料之间的可逆变化实现电池充、放电过程。全固态锂离子电池具有能量密度高、集成性能好、循环周期长等优点，是一种极具优势的微型储能元件，按结构形式不同可分为二维结构和三维结构[3]。

二维全固态锂离子电池也称为薄膜锂离子电池，一般由七部分构成：衬底、负极集流体层、负极膜、固体电解质膜、阳极膜、阳极集流体层、封装。在电池制作过程中主要涉及磁控溅射、热蒸发等平面镀膜工艺[4]。在二维结构锂离子电池的衬底上通过模板溅射等工艺可以制备三维结构锂离子电池，三维结构锂离子电池活性表面积较大，能量密度高于二维结构锂离子电池，能量转换速度较快。与二维结构锂离子电池相似，在三维结构锂离子电池中，电池品质受电池正极材料的能量密度影响较大，提高电池正极材料能量密度一直都是学者关注的重点。

1.3压电式同位素电池

同位素电池又称为核电池，利用放射性同位素衰变释放出的带电粒子(α,β,γ粒子)通过能量转换装置将其转换为电能。核电池按产生的电压高低可以分为高压型(几百至几千V)和低压型(几十mV)。按将辐射能转换其他能量的转换机制可以分为直接式和间接式。目前应用最广泛的是温差是核电池和热机转换电池。

放射性同位素电池(RIB)的能量转化机制有十多种之多，大致可分为两大类热电转换和非热电转换。其中热电转换机制包括温差热电转换(RTG)、热离子发射、热致光伏光伏效应等等；非热电转换机制的同位素电池主要有直接收集式、辐射伏特效应、压电悬臂梁、耦合LC 振荡电路发电机制等。不同的能量转换机制可以达到的理论转换效率有很大的不同，其中热转换机制的转换效率最高可达40%，而采用直接充电式的只能做到10%左右。在前面提到的几种机制中，只有RTG 即温差热电转换同位素电池实现产品化，主要用于卫星、深海监测设施、极地探测等，其他几种机制均未见成品应用的相关报道[5][6]。

1.4微型同位素电池

放射性同位素在衰变过程中会向外发射粒子，粒子具有动能。同位素电池可将粒子动能转换为电能，按转换形式不同分为热型和非热型两种，其中非热型同位素电池也称为核电池。

同位素电池的特点是：能量密度大、体积小、抗干扰性强、寿命长、在使用过程中无需额外添加材料，在宇宙探测方面具有广阔的应用前景[6][7][8][9]。

随着半导体材料的开发及工艺技术的进步，半导体对热、光、射线的能量转换效率日益提高，伏特效应放射性同位素电池是微型同位素电池当前研究热点。Cornell大学设计了一种微型核电池，其PN结的面积是4mm×4mm，当采用1mCi/cm2的Ni-63放射源进行测试时，短路电流、开路电压、最大输出功率分别为2.41nA、115mV、0.24nW。西北工业大学利用4H-SiC材料的宽禁带特性，制作了一种肖特基同位素电池，当采用4 mCi/cm2的Ni-63放射源进行测试时，功率密度、开路电压、短路电流密度分别是31.3nW/cm2、0.5V、3.13×10-8A/cm2、1.3%[10]。中国工程物理研究所设计了一种直径为15mm，厚度为10mm的圆柱形同位素电池，如图5所示，其短路电流、开路电压、最大输出功率、转换效率分别为5.97nA、0.88mV、0255nW、0.561%[11]。

2 微型发电机

2.1振动驱动微能源

近年来，为了探索新型的使用寿命长、能量密度高的微能源，国内外学者开始收集人体、声音、道路、高层建筑等周围环境中的振动．以实现微纳机电系统的自我供能，这将有望解决能源微型化过程中电池体积大、一次性使用寿命短、能量密度小等问题。当前研究的实现环境振动能向电能转换的微型结构主要有三种形式：静电转换型、电磁转换型和压电转换型[12][13][14][15][16][17]。

2.1.1 静电转换型

静电转换微能源需要由一个外部电源在可变电容之间产生原始电压差，然后通过振动改变电容的大小，使电荷在电容器上重新分布，从而将外部振动能转换为电能。根据改变电容的方式不同可分为变间距式和变面积式。

2.1.2电磁转换型

电磁能量转换原理与法拉第发电机的发电原理相同，当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电动势。输出电动势的大小由磁场强度和线圈相对于磁场的运动快慢决定。电磁式微能源工作时磁通量发生变化的根本原因是线圈和磁场发生相对运

动，有动铁型、动圈型和铁圈共振型三种形式。

2.1.3压电转换型

在机械力的作用下，使压电材料产生形变，会在相对的两个表面上出现等量异号的束缚电荷，电荷的面密度与施加作用力的大小成正比；撤掉外力后，晶体恢复到不带电状态。这种没有外电场作用，仅由于压电材料的形变而产生的极化现象称为正压电效应。利用压电材料的正压电效应可实现机械能到电能的转换[18][19][20]。

2.2 微型内燃机

内燃机是当今社会最重要的一种动力装置，具有结构紧凑、输出功率大等优点。内燃机与发电装置可以组合成发电系统。内燃机的微型化一直都是微能源研究领域的重要课题，具有如下优点：液态碳氢燃料具有很高的能量密度（约为11500 Wh/kg）；液态燃料容易运输与储存；内燃机补充液态燃料快捷、简单等。但是受到现有技术水平限制，微型内燃机相关研究发展较缓慢[21][22][23]。

2.3摩擦发电机

美国乔治亚理工学院以摩擦发电原理为基础，设计并证实了纳米摩擦发电机（TENG）是一种高效、稳定的机电系统，在微能源领域极具发展潜力[24]。TENG上有两个聚合物材料制备的薄膜，两个薄膜之间周期性的接触和分离，在接触过程中，两个薄膜通过摩擦发电产生电荷，在分离过程中，实现电荷的转移，形成电流[24][25]。TENG当前需要克服的关键技术有：

1）摩擦过程中，在摩擦表面要尽可能产生多的静电荷，可采取的改进措施有：选择吸收电子能力相差较大的材料制备摩擦薄膜或者合理设计摩擦薄膜的结构。

2）两个摩擦表面之间要在接触和分离状态中不断转换，这种转换过程的效率对静电势有直接影响，是影响TENG输出性能的重要参数。

当前，TENG还处于理论研究阶段，距离商品化还存在一定距离，但是其巨大的潜在应用价值已经吸引了很多学者的关注，北京大学张海霞教授团队也正致力于研究摩擦发电相关理论和装置，取得了不菲成果[26,27]。

3 结论

微能源技术的开发能促进机电系统的微型化和集成化。本文对微能源领域当前研究热点进行介绍，重点介绍了各种微能源装置的工作原理和研究现状，在分析国内外参考文献的基础上，对各种微能源装置的未来发展趋势进行概括。

[1]薛涛, 张利, 杨朝全. 微能源研究进展述评[J]. 制造业自动化, 2014, (23):10-16.

[2] 杨丞, 闫康平. 微能源器件——薄膜电池[J]. 通信电源技术, 2011, 28(5):40-43.

[3]刘琦. 全固态微型薄膜锂离子电池的制备和性能研究[D].厦门大学, 2011.

[4] 董全峰,宋杰,郑明森,等.微型锂离子电池及关键材料的研究[J].化学进展,2011,23(2/3):374-381.

[5] 陈婷婷. MEMS压电—磁电复合式微能源器件优化设计制造及其性能研究[D]. 中北大学, 2014.

[6]郭鹏伟,周剑良,左国平,等.放射性同位素电池的研究及进展[J].衡阳师范学院学报,2012,32(6):56-59.

[7] 陈学强. MEMS压电式同位素电池的设计与模拟[D]. 中北大学, 2014.

[8] 罗顺忠,王关全,张华明. 辐射伏特效应同位素电池研究进展[J]. 同位素, 2011, 24(1):1-11.

[9] 王关全. 辐射伏特效应同位素电池研究进展[C]. 中国工程物理研究院科技年报(2009年版). 2010:120-121.

[10] 高鹏,李晓莹,乔大勇,等.4H-SiC肖特基微型同位素电池[J]. 微纳电子技术,2010,47(3):157-162.

[11]张华明,胡睿,王关全,等. ^63Ni 辐射伏特同位素电池原型的研制[J].原子能科学技术,2013(3):490-496.

[12]张亚婷, 丑修建, 郭涛, 等. 振动驱动微能源技术研究进展[J]. 微纳电子技术, 2012, 49(4): 242-247.

[13]赵兴强. 基于颤振机理的微型压电风致振动能量收集器基础理论与关键技术[D]. 重庆大学, 2013.

[14]杜志刚. 基于谐振腔结构的微型风力发电机研究[D]. 重庆大学, 2012.

[15] Liu H, Tay C J, Quan C, et al. Piezoelectric MEMS Energy Harvester for Low-Frequency Vibrations With Wideband Operation Range and Steadily Increased Output Power[J]. Microelectromechanical Systems Journal of, 2011, 20(5):1131 - 1142.

[16] Miller L M, Halvorsen E, Dong T, et al. Modeling and experimental verification of low-frequency MEMS energy harvesting from ambient vibrations[J]. Journal of Micromechanics &Microengineering, 2011, volume 21(4):45029-45041(13).

[17] Blystad L C J, Halvorsen E, Husa S. Piezoelectric MEMS energy harvesting systems driven by harmonic and random vibrations[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control, 2010, 57(4):908 - 919.

[18] 陈婷婷, 关新锋, 杨杰,等. 基于压电效应的MEMS振动式微能源器件[J]. 微纳电子技术, 2014, (2).

[19] 贺婷, 杨杰, 孔龄婕,等. MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计[J]. 传感技术学报, 2015, (3).

[20] 陈学强. MEMS压电式同位素电池的设计与模拟[D]. 中北大学, 2014.

[21]唐刚志, 张力, 尚会超,等. 缸径和压缩比对微型内燃机微燃烧性能的影响[J]. 华中科技大学学报：自然科学版, 2014, (9):112-117. DOI:10.13245/j.hust.140924.

[22]李冠孚. 微型摆式内燃机结构优化与密封性能研究[D]. 内蒙古工业大学, 2013.

[23]李敏毅, 陈邵有, 王叶斌. 微燃烧装置流量控制实验研究[J]. 节能技术, 2010, 28(5):392-395.

[24]Fan F R, Tian Z Q, Lin Wang Z. Flexible triboelectricgenerator[J]. Nano Energy, 2012,1(2):328-334.

[25]张虎林. 摩擦电纳米发电机（TENG）的结构设计及其相关应用研究[D]. 重庆大学, 2014.

[26]Zhang X S,Han M D,Wang R X,et al. Frequencymultiplicationhigh-output triboelectricnanogenerator forsustainably powering biomedical microsystems[J].Nanoletters, 2013,13(3):1168-1172.

[27] Han M D, Zhang X S, Liu W, et al. Low-frequency widebandhybrid energy harvester based on piezoelectric andtriboelectric mechanism[J].Sci China Tech Sci,2013,56(08):1835-1841.