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。