本文介紹了幾種創(chuàng)建毫米級(jí)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(dòng)為設(shè)備供電。利用傳感器周?chē)哪芰靠梢蕴峁┊a(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(yáng)能電池板安裝和風(fēng)電場(chǎng)。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(chǔ)在可充電固態(tài)電池中并傳送到傳感器系統(tǒng)。沒(méi)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(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)線(xiàn)傳感器照片。

密歇根大學(xué)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(cè)儀（IOPM）。最合適的植入位置是眼睛的前房，其可通過(guò)外科手術(shù)進(jìn)入并遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)高分辨率電容測(cè)量，無(wú)線(xiàn)通信和多年設(shè)備壽命帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。微小的IOPM系統(tǒng)可以存儲(chǔ)很少的能量，需要超低功率運(yùn)行和能量收集。所需的毫米波天線(xiàn)或電感器導(dǎo)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(guò)透明角膜進(jìn)入眼睛的太陽(yáng)能，以實(shí)現(xiàn)能量自主。 IOPM包含集成太陽(yáng)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(wú)線(xiàn)收發(fā)器，電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC） ，DC-DC開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)（SCN），微控制器（μP）和采用0.18μmCMOS制造的存儲(chǔ)器。

為什么毫米級(jí)？

與眼內(nèi)壓監(jiān)測(cè)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(jìn)展正在使這些系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。微型無(wú)線(xiàn)傳感器，數(shù)據(jù)記錄器和計(jì)算機(jī)現(xiàn)在可以嵌入數(shù)百個(gè)新應(yīng)用程序和數(shù)百萬(wàn)個(gè)位置。

圖2：毫米級(jí)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(guò)限制微系統(tǒng)電源的尺寸和容量來(lái)限制壽命。 IOPM使用Cymbet的1μAeEnerChip?固態(tài)電池。壽命為28天，沒(méi)有能量收集。

為延長(zhǎng)使用壽命，IOPM通過(guò)集成的0.07平方毫米太陽(yáng)能電池為電池充電，從而收集進(jìn)入眼睛的光能。鑒于超小型太陽(yáng)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(shí)間內(nèi)，IOPM處于3.65 nW待機(jī)模式，其中混合信號(hào)電路被禁用，數(shù)字邏輯被電源門(mén)控，2.4 fW/位單元SRAM保留IOP指令和數(shù)據(jù)。每15分鐘進(jìn)行壓力測(cè)量的平均系統(tǒng)功率和每日無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸為5.3 nW。晴天時(shí)，太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)零凈能量操作。 IOPM需要每天10小時(shí)的室內(nèi)照明或1.5小時(shí)的日照才能實(shí)現(xiàn)能源自主。

EH無(wú)線(xiàn)傳感器組件

眼內(nèi)壓監(jiān)測(cè)儀是使用能量收集技術(shù)為設(shè)備供電的無(wú)線(xiàn)傳感器的一個(gè)示例。隨著低成本集成電路的可用性，以執(zhí)行傳感，信號(hào)處理，通信和數(shù)據(jù)采集功能，再加上無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)提供的多功能性，我們可以在新建筑中同時(shí)擺脫固定的硬線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器框圖。

如圖3所示的IOPM由五個(gè)基本元素組成：

用于檢測(cè)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(chǔ)和向IOPM輸送電能。

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

傳感器節(jié)點(diǎn)上的專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)電鏈路定期從處理器傳輸信息到一個(gè)握在病人眼前的接收器。

構(gòu)建毫米級(jí)基于EH的計(jì)算機(jī)

圖1中所示的IOPM毫米無(wú)線(xiàn)傳感器如圖4所示。該設(shè)備是一個(gè)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(chǔ)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(yáng)能電池和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器。在這種情況下，所有層都通過(guò)引線(xiàn)鍵合在一起以實(shí)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(wú)線(xiàn)傳感器安裝邁進(jìn)的一個(gè)缺點(diǎn)是，為傳感器，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的普及，尤其是小型設(shè)備。通過(guò)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(gè)小型“發(fā)電廠(chǎng)”可以延長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)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(chēng)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(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)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(lái)看，使用EnerChip裸片具有獨(dú)特的內(nèi)部能量存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈凅w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(xiàn)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(gè)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(jī)構(gòu)開(kāi)辟了許多新的微型封裝選擇。

圖9：“倒裝芯片”技術(shù)

設(shè)計(jì)和部署毫米級(jí)傳感器

本文證明現(xiàn)有技術(shù)可用于建立毫米級(jí)基于能量收集的計(jì)算系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)傳感器。長(zhǎng)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(píng)估套件，可用于設(shè)計(jì)和部署本白皮書(shū)中討論的概念。