本文介紹了幾種創(chuàng)建毫米級智能傳感器的新概念，這些傳感器使用環(huán)境能量收集技術(shù)自動為設(shè)備供電。利用傳感器周圍的能量可以提供產(chǎn)品生命周期供電。能量收集技術(shù)用于大規(guī)模應(yīng)用，如太陽能電池板安裝和風電場。但是，如本文所示，能量收集也可用于極小規(guī)模的設(shè)備中。燈被轉(zhuǎn)換為電能，存儲在可充電固態(tài)電池中并傳送到傳感器系統(tǒng)。沒有傳統(tǒng)的電池可以更換，設(shè)備可以放在任何地方。

1：毫米級計算機無線傳感器照片。

密歇根大學ISSCC論文描述了一種植入青光眼患者眼內(nèi)的眼內(nèi)壓監(jiān)測儀（IOPM）。最合適的植入位置是眼睛的前房，其可通過外科手術(shù)進入并遠離視野。 IOPM體積限制為1.5立方毫米。這種積極的IOPM尺寸限制為實現(xiàn)高分辨率電容測量，無線通信和多年設(shè)備壽命帶來了重大挑戰(zhàn)。微小的IOPM系統(tǒng)可以存儲很少的能量，需要超低功率運行和能量收集。所需的毫米波天線或電感器導致較低的接收功率和較高的傳輸頻率，這兩者都增加了微系統(tǒng)功率。 IOPM收獲通過透明角膜進入眼睛的太陽能，以實現(xiàn)能量自主。 IOPM包含集成太陽能電池，EnerChip?薄膜鋰電池，MEMS電容傳感器和垂直組裝在生物相容玻璃外殼中的集成電路，如圖1所示。電路包括無線收發(fā)器，電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC） ，DC-DC開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)（SCN），微控制器（μP）和采用0.18μmCMOS制造的存儲器。

為什么毫米級？

與眼內(nèi)壓監(jiān)測儀一樣，通常需要將微電子系統(tǒng)放置在非常小的空間內(nèi)。超低功耗集成電路，MEMS傳感器和固態(tài)電池的新進展正在使這些系統(tǒng)成為現(xiàn)實。微型無線傳感器，數(shù)據(jù)記錄器和計算機現(xiàn)在可以嵌入數(shù)百個新應(yīng)用程序和數(shù)百萬個位置。

圖2：毫米級應(yīng)用程序。

《 p》超低功耗管理是關(guān)鍵

所需的IOPM壽命是多年，以適應(yīng)合適的青光眼治療。然而，前房容積通過限制微系統(tǒng)電源的尺寸和容量來限制壽命。 IOPM使用Cymbet的1μAeEnerChip?固態(tài)電池。壽命為28天，沒有能量收集。

為延長使用壽命，IOPM通過集成的0.07平方毫米太陽能電池為電池充電，從而收集進入眼睛的光能。鑒于超小型太陽能電池尺寸，能源自治要求平均功耗小于10 nW。在其壽命的大部分時間內(nèi)，IOPM處于3.65 nW待機模式，其中混合信號電路被禁用，數(shù)字邏輯被電源門控，2.4 fW/位單元SRAM保留IOP指令和數(shù)據(jù)。每15分鐘進行壓力測量的平均系統(tǒng)功率和每日無線數(shù)據(jù)傳輸為5.3 nW。晴天時，太陽能電池為電池供電80.6 nW。能量收集和低功率操作的結(jié)合使IOPM能夠在低光照條件下實現(xiàn)零凈能量操作。 IOPM需要每天10小時的室內(nèi)照明或1.5小時的日照才能實現(xiàn)能源自主。

EH無線傳感器組件

眼內(nèi)壓監(jiān)測儀是使用能量收集技術(shù)為設(shè)備供電的無線傳感器的一個示例。隨著低成本集成電路的可用性，以執(zhí)行傳感，信號處理，通信和數(shù)據(jù)采集功能，再加上無線網(wǎng)絡(luò)提供的多功能性，我們可以在新建筑中同時擺脫固定的硬線網(wǎng)絡(luò)安裝作為現(xiàn)有裝置（例如眼睛）的改造。 IOPM框圖如圖3所示。

圖3：IOPM無線傳感器框圖。

如圖3所示的IOPM由五個基本元素組成：

用于檢測和量化眼睛區(qū)域壓力的壓力傳感器。

超低功耗管理設(shè)備和固態(tài)電池，用于收集，存儲和向IOPM輸送電能。

微控制器從傳感器接收信號，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用的分析形式，并與無線電鏈路通信。

傳感器節(jié)點上的專用無線電鏈路定期從處理器傳輸信息到一個握在病人眼前的接收器。

構(gòu)建毫米級基于EH的計算機

圖1中所示的IOPM毫米無線傳感器如圖4所示。該設(shè)備是一個封裝在生物兼容的4層堆棧玻璃外殼。第一層是MEMS壓力傳感器，頂部裝有1μA可充電EnerChip固態(tài)電池。帶有存儲器，電源管理和傳感器A/D轉(zhuǎn)換器的處理器位于EnerChip上。頂層是太陽能電池和無線收發(fā)器。在這種情況下，所有層都通過引線鍵合在一起以實現(xiàn)電連接。

使用固態(tài)可充電電池的永久電源

向廣泛的無線傳感器安裝邁進的一個缺點是，為傳感器，無線電，處理器和其他設(shè)備提供能量所需的電池可靠性差，使用壽命有限系統(tǒng)的電子元件。這種限制在某種程度上限制了無線網(wǎng)絡(luò)的普及，尤其是小型設(shè)備。通過使用能量收集技術(shù)可以消除傳統(tǒng)電池技術(shù)，這種技術(shù)使用與集成可充電固態(tài)電池相連的能量轉(zhuǎn)換傳感器。這個小型“發(fā)電廠”可以延長無線傳感器的使用壽命。

圖4：IOPM層框圖。

Cymbet將基于硅基板的固態(tài)可充電電池商業(yè)化，稱為EnerChip。圖5中的照片顯示了IOPM中使用的1μAHEnerChip。 EnerChip用作裸芯片或封裝在標準半導體封裝中。 EnerChip安裝在磁帶和卷軸上，使用表面貼裝技術(shù)放置在電路板上，然后可以回流焊接到電路板上。 EnerChips被視為最終板上的其他IC封裝。

圖5：EnerChip 1美元電池美元尺寸參考。

從封裝的角度來看，使用EnerChip裸片具有獨特的內(nèi)部能量存儲優(yōu)勢，因為它們體積小，可以與其他IC或微型器件以多種方式共同封裝。這些器件彼此引線鍵合。 EnerChip裸片共同包裝在“婚禮蛋糕”芯片堆棧中，如下圖所示：

圖6：EnerChip裸片μController，傳感器，RTC。

EnerChip裸片可以與IC并排共同包裝，如Cymbet CBC3105，CBC3112和CBC3150的情況：

圖7：Cymbet CBC系列。

可充電固態(tài)電池裸片可以與片上系統(tǒng)模塊中的其他器件連接到基板上：

圖8：片上系統(tǒng)模塊。

在硅片上構(gòu)建的EnerChip電池的一個重要特性是它們可以使用“倒裝芯片”技術(shù)焊接到電路板表面。倒裝芯片連接機構(gòu)開辟了許多新的微型封裝選擇。

圖9：“倒裝芯片”技術(shù)

設(shè)計和部署毫米級傳感器

本文證明現(xiàn)有技術(shù)可用于建立毫米級基于能量收集的計算系統(tǒng)和無線傳感器。長壽命操作的關(guān)鍵促成因素之一是可充電固態(tài)電池。目前Digi-Key提供固態(tài)電池，超低功耗電子設(shè)備和能量收集評估套件，可用于設(shè)計和部署本白皮書中討論的概念。