将毫米级智能传感器用于能量收集

本文介绍了几种创建毫米级智能传感器的新概念，这些传感器使用环境能量收集技术自动为设备供电。利用传感器周围的能量可以提供产品生命周期供电。能量收集技术用于大规模应用，如太阳能电池板安装和风电场。但是，如本文所示，能量收集也可用于极小规模的设备中。灯被转换为电能，存储在可充电固态电池中并传送到传感器系统。没有传统的电池可以更换，设备可以放在任何地方。

1：毫米级计算机无线传感器照片。

密歇根大学ISSCC论文描述了一种植入青光眼患者眼内的眼内压监测仪（IOPM）。最合适的植入位置是眼睛的前房，其可通过外科手术进入并远离视野。 IOPM体积限制为1.5立方毫米。这种积极的IOPM尺寸限制为实现高分辨率电容测量，无线通信和多年设备寿命带来了重大挑战。微小的IOPM系统可以存储很少的能量，需要超低功率运行和能量收集。所需的毫米波天线或电感器导致较低的接收功率和较高的传输频率，这两者都增加了微系统功率。 IOPM收获通过透明角膜进入眼睛的太阳能，以实现能量自主。 IOPM包含集成太阳能电池，EnerChip™薄膜锂电池，MEMS电容传感器和垂直组装在生物相容玻璃外壳中的集成电路，如图1所示。电路包括无线收发器，电容数字转换器（CDC） ，DC-DC开关电容网络（SCN），微控制器（μP）和采用0.18μmCMOS制造的存储器。

为什么毫米级？

与眼内压监测仪一样，通常需要将微电子系统放置在非常小的空间内。超低功耗集成电路，MEMS传感器和固态电池的新进展正在使这些系统成为现实。微型无线传感器，数据记录器和计算机现在可以嵌入数百个新应用程序和数百万个位置。

图2：毫米级应用程序。

《 p》超低功耗管理是关键

所需的IOPM寿命是多年，以适应合适的青光眼治疗。然而，前房容积通过限制微系统电源的尺寸和容量来限制寿命。 IOPM使用Cymbet的1μAeEnerChip™固态电池。寿命为28天，没有能量收集。

为延长使用寿命，IOPM通过集成的0.07平方毫米太阳能电池为电池充电，从而收集进入眼睛的光能。鉴于超小型太阳能电池尺寸，能源自治要求平均功耗小于10 nW。在其寿命的大部分时间内，IOPM处于3.65 nW待机模式，其中混合信号电路被禁用，数字逻辑被电源门控，2.4 fW/位单元SRAM保留IOP指令和数据。每15分钟进行压力测量的平均系统功率和每日无线数据传输为5.3 nW。晴天时，太阳能电池为电池供电80.6 nW。能量收集和低功率操作的结合使IOPM能够在低光照条件下实现零净能量操作。 IOPM需要每天10小时的室内照明或1.5小时的日照才能实现能源自主。

EH无线传感器组件

眼内压监测仪是使用能量收集技术为设备供电的无线传感器的一个示例。随着低成本集成电路的可用性，以执行传感，信号处理，通信和数据采集功能，再加上无线网络提供的多功能性，我们可以在新建筑中同时摆脱固定的硬线网络安装作为现有装置（例如眼睛）的改造。 IOPM框图如图3所示。

图3：IOPM无线传感器框图。

如图3所示的IOPM由五个基本元素组成：

用于检测和量化眼睛区域压力的压力传感器。

超低功耗管理设备和固态电池，用于收集，存储和向IOPM输送电能。

微控制器从传感器接收信号，将数据转换为有用的分析形式，并与无线电链路通信。

传感器节点上的专用无线电链路定期从处理器传输信息到一个握在病人眼前的接收器。

构建毫米级基于EH的计算机

图1中所示的IOPM毫米无线传感器如图4所示。该设备是一个封装在生物兼容的4层堆栈玻璃外壳。第一层是MEMS压力传感器，顶部装有1μA可充电EnerChip固态电池。带有存储器，电源管理和传感器A/D转换器的处理器位于EnerChip上。顶层是太阳能电池和无线收发器。在这种情况下，所有层都通过引线键合在一起以实现电连接。

使用固态可充电电池的永久电源

向广泛的无线传感器安装迈进的一个缺点是，为传感器，无线电，处理器和其他设备提供能量所需的电池可靠性差，使用寿命有限系统的电子元件。这种限制在某种程度上限制了无线网络的普及，尤其是小型设备。通过使用能量收集技术可以消除传统电池技术，这种技术使用与集成可充电固态电池相连的能量转换传感器。这个小型“发电厂”可以延长无线传感器的使用寿命。

图4：IOPM层框图。

Cymbet将基于硅基板的固态可充电电池商业化，称为EnerChip。图5中的照片显示了IOPM中使用的1μAHEnerChip。 EnerChip用作裸芯片或封装在标准半导体封装中。 EnerChip安装在磁带和卷轴上，使用表面贴装技术放置在电路板上，然后可以回流焊接到电路板上。 EnerChips被视为最终板上的其他IC封装。

图5：EnerChip 1美元电池美元尺寸参考。

从封装的角度来看，使用EnerChip裸片具有独特的内部能量存储优势，因为它们体积小，可以与其他IC或微型器件以多种方式共同封装。这些器件彼此引线键合。 EnerChip裸片共同包装在“婚礼蛋糕”芯片堆栈中，如下图所示：

图6：EnerChip裸片μController，传感器，RTC。

EnerChip裸片可以与IC并排共同包装，如Cymbet CBC3105，CBC3112和CBC3150的情况：

图7：Cymbet CBC系列。

可充电固态电池裸片可以与片上系统模块中的其他器件连接到基板上：

图8：片上系统模块。

在硅片上构建的EnerChip电池的一个重要特性是它们可以使用“倒装芯片”技术焊接到电路板表面。倒装芯片连接机构开辟了许多新的微型封装选择。

图9：“倒装芯片”技术

设计和部署毫米级传感器

本文证明现有技术可用于建立毫米级基于能量收集的计算系统和无线传感器。长寿命操作的关键促成因素之一是可充电固态电池。目前Digi-Key提供固态电池，超低功耗电子设备和能量收集评估套件，可用于设计和部署本白皮书中讨论的概念。