功率MEMS技术简介

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：功率MEMS是能够发电或进行电能转换的微机电系统。涡轮机的转子直径为8mm，每分钟旋转三百多万转，能够产生几十瓦的机械功率，而释放的尾气温度超过1500℃。如果与一个牙钻相连，这个发电机在400000r/min时可以产生5W的功率，在1000000r/min时则能产生20W的功率。

功率MEMS是能够发电或进行电能转换的微机电系统。其中包括碳氢化合物在涡轮或活塞中燃烧，从而将热能转换为机械能的系统，其工作原理与现有的大型动力机组是完全一样的。目前的一些主要研究或应用包括转速为3000000r/min的微型涡轮发电机（麻省理工学院）、汪克尔（Wankel）三角转子发动机（加州大学伯克利分校）、直线自由活塞式发动机（伯明翰大学等）、废气发电甚至蒸汽机（桑迪亚大学），这些系统或多或少地与传统的发电机组连接以实现电能的输出。

4.5.1.1 微型涡轮机

麻省理工学院MIT大约用了10年的时间致力于一个雄心勃勃的研究项目（硬币上的涡轮机，见图4-11），一个集成在硅片上的平面涡轮机，是由大约10个硅衬底叠加而成的。涡轮机的转子直径为8mm，每分钟旋转三百多万转，能够产生几十瓦的机械功率，而释放的尾气温度超过1500℃。

美国的哥伦比亚大学和加拿大的谢布鲁克大学也开展了类似的研究工作^{[SHE 02]}。日本的东北大学也在进行微型涡轮机的研究，其技术不一定是最尖端的，却更为实用。比利时天主教鲁汶大学^{[PEI 04]}的Zwissyg^{[ZWY 06]}和Piers已经开发出了集成度稍差一些的涡轮机，它是基于微机械技术而不是硅片集成技术，这种涡轮机可以产生几十瓦的功率。

其他的研究包括汪克尔（Wankel）三角转子发动机（见图4-12）[UNIa，SEN 08]和线性自由活塞式发动机^{[UNIc，UNId]}。

4.5.1.2 机械-磁转换

与麻省理工学院研究的微型涡轮机相连的发电机，最开始采用的是静电感应式发电机，但其在电压达到100V时会发生击穿故障，这使得研究者考虑采用“传统的”电磁转换方式，如佐治亚理工学院^{[GEO，HER 08a，HER 08b]}研发的感应式发电机。

图4-11 “硬币上的涡轮机”：集成在硅片上的微型涡轮机（MIT）

图4-12 硅片/碳化硅上的Wankel微型发动机

这导致的结果就是形成了一系列基于磁体的发电机，这些发电机不仅仅适用于麻省理工学院的热力涡轮机，在其他系统中也可以应用，如图4-13所示。

法国格勒诺布尔电气工程实验室（G2Elab）已经开发了一种平面磁性微型涡轮发电机，装配磁-空气混合轴承，能够在30000r/min时产生50mW的功率（配置了相关的电能变换设备）^{[RAI 06]}，如图4-14所示。如果与一个牙钻相连，这个发电机在400000r/min时可以产生5W的功率，在1000000r/min时则能产生20W的功率。

图4-13 微型磁发电机[上图为感应式定子（6mm），下图为集成磁体（2mm），图片来源：佐治亚理工学院]

一个中国的研究小组也一直在进行这个领域的研究^{[PAN 07]}。伦敦皇家理工学院利用同样的原理已经开发出一个气体流量传感器，它是通过运行于微功率发电机来实现其传感功能的^{[HOL 05]}。

图4-14 微型平面式磁发电机（格勒诺布尔电气工程实验室G2Elab）（图片由Ch.Morel提供）

4.5.1.3 温差发电

温差发电是利用塞贝克效应（与珀尔帖效应相反）工作的，热电偶就是塞贝克效应来测量温度的。热电偶由两种连接在一起的不同金属组成，当两种金属的温度不同时则会产生一定的电压，这个电压大约在每开尔文几十微伏的等级（J型热电偶是50μV/K）。通过组合上千个热电偶，就有可能形成一个能产生1V电压的热电转换器。假设冷热源之间的温差达到几百摄氏度，则商业化应用的温差转换器的效率可达6%。然而，由于温差发电的效率与温度梯度密切相关，当温差减小时其转换效率也会急剧下降。(https://www.chuimin.cn)

利用传统技术制造热电偶已经出现了很长时间，而新的制作技术也正在研究探索之中。其中，通过弯曲金属线制作而成的热电结构，尽管其转换效率仍不够高，但其简单的工艺能够降低制造成本。因此，有可能利用从市场上购买的“汽油”（LUFO）灯，遮住部分火焰以将热能转化为电能。在一些研发的样机中，这种LUFO灯产生的电能可以达到3W，足以胜任给一个半导体收音机供电，如图4-15所示。

图4-15 含温差发电的LUFO灯可以带动半导体收音机

基于相同的原理，一些研究利用汽车橡胶轮胎行驶过程中产生的能量，以给嵌在橡胶里的传感器提供能量。橡胶轮胎在行驶过程中会产生热（见图4-16）并形成“热点”，利用温差转换器，部分分散的能量能够被收集起来提供给传感器和相关的电子设备。

其他形式的温差技术也在研发之中，如将热电偶沉积在硅片上形成热电偶网^{[STR 04，SCH 08，WAN 05]}。该技术除了材料方面外，主要的难点在于如何在如此小的尺度空间里获得一个显著的温度梯度。利用集成热偶制成的微型温差发电机如图4-17所示。

由于硅是很好的导热材料，所以若想在硅片上间隔几百微米的两个结点之间产生几百摄氏度，即使几摄氏度的温差，也是相当困难的。

图4-16 汽车轮胎在行驶过程中的发热情况

图4-17 利用集成热电偶制成的微型温差发电机

若想获得更高的功率输出，可以采用燃烧推进剂或碳氢化合物的方式。不过，也有一些系统利用体温来给手表或“信息化”服装供能量^{[LEO 09]}。此外，还有一些正在考虑能够植入皮下组织的供能系统。

4.5.1.4 利用固体推进剂和纳米能源材料的微推进器

当前这个领域的主要研究机构有法国图卢兹的系统分析与结构实验室（LAAS）^{[ROS 05]}和美国的加州伯克利大学。这些研究小组正在开发烟火微胶囊（见图4-18）以实现热利用（继而研发热发电机）或者实现机械能利用（推进系统）[UNIb]。目前，利用微型制造技术已经可以制造出微推进器，其主要应用定位于微型卫星或小型无人机的稳定控制。

图4-18 烟火微胶囊的停机（燃料耗完），系统在基底上集成了打火机

目前，利用纳米能源材料已经可以完成上述工作。这些材料的能量密度比电池高很多，并且能够在很短的时间内释放这些能量。因此，它们还可以提供比电池高很多的功率密度（见图4-6）。

可以看出，这些纳米能源材料与碳氢化合物在性能上相当，而且同样也以热的形式释放能量。当然，如果能量最终以电的形式被利用，电能变换器及其转换效率对系统的影响也需要考虑进去。

本章参考文献[ROS 07]给出了微烟火技术的综述。

功率MEMS技术简介

相关推荐