其實人類很早就有能量採集（Energy Harvesting）的技術，在古早時代，人們就知道利用自然環境中最易取得的風力及水力來帶動器械的運轉，比如風車、水車磨坊等。現在我們仍在沿用這些能量採集及能量轉換的技術，差別只在於是以更有效率的方式，更大規模地將水力、風力、太陽能等轉換成可供人們方便使用的電能。

圖一、風車與風力發電

資料來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Windmill

以科學的角度來解釋，能量採集亦稱能量收集或是能量擷取，就是一種利用能量採集器（Harvester）從其周圍環境中獲取能量的技術。基本上，此技術是利用電磁、熱電、太陽光電（Photovoltaic）、壓電（Piezoelectric）等各種物理原理，把採集器周圍環境中廣泛存在的風能、水能、光能、熱能、機械能等能量轉換收集成可以方便使用的電能。

圖二、能量採集（Energy Harvesting）無所不在

資料來源：http://wonderfulengineering.com/

現今，「能量採集」一詞，隱含有二個重要的優點，一是「本質上不會消耗能源」，二是「對環境不會造成負面影響」。

例如，在電力網路無法延伸的荒野深山中，為特定目的而建置的監視或感測裝置，需配備長效電池以供該裝置可以連續工作1~2年；電池有耗完電力的時限，屆時必得花費人力物力更換之，而報廢的電池也需後續的妥善處理。如果該裝置所需的電力可以自給自足，不但可以節省維護費用，也可減少對環境的負面影響。相對於電池電力的技術，這就是能量採集技術顯而易見的優勢。

近幾年來，能量採集的技術研發方向，大都是向裝置微型化靠攏，尤其隨著物聯網概念的興起，穿戴式及隨身保健醫療的商品都急欲擺脫電池供電的束縛，已促使有越來越多的研究單位與公司，有興趣和動力去開發更有效率、更微型的能量採集晶片。

根據德州儀器（Texas Instruments）的統計資料，一般可以採集的微量能量來源有：振動能（Vibration/Motion）、溫差能（Temperature Difference）、光能（Light），以及功率只達光能百分之一的射頻（Radio Frequency；RF）（參見圖三）。其中又以振動能較不受環境溫度及光照因素的影響而廣受注目。

圖三、能量來源及功率值

資料來源：Texas Instruments Energy Harvesting White Paper

振動能轉換成電能，依其發電原理又可分為：電磁感應型（Electromagnetic）、靜電型（Electrostatic）、磁致伸縮型（Magnetostrictive）及壓電型（Piezoelectric）（參見圖四）。

圖四、振動能發電原理

資料來源：http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1273025
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-009-0002-4#

其中，壓電型發電是利用外在環境的振動力使壓電材料（Piezoelectric Material）變形，因此改變了壓電材料的電場，進而產生電流。壓電型發電具有較高的力電耦合效應，再加上可以用微機電（MEMS）製程達到裝置微型化的目的，符合輕薄短小的需求趨勢，因此壓電型已成為振動型能量採集技術研發的主流之一。

利用壓電材料製作的能量採集器，多以懸臂樑（Cantilever Beam）結構的方式來完成（參見圖四及圖五）。在懸臂樑上有接合壓電材料，例如質地硬而脆的陶瓷材料PZT（鋯鈦酸鉛），或質地柔性較佳且適合用於生物體內的PVDF（聚氟乙烯），並在懸臂樑的末端安置質量塊（Mass）來控制共振頻率及振幅。

圖五、懸臂樑結構的能量採集器

資料來源：Kinetic Energy Harvesting in http://www.intechopen.com/

壓電材料的力電轉換模式可分為31-mode及33-mode二種操作模式。當電場方向與變形方向垂直時，稱為d31模式；電場方向與變形方向相同時，稱為d33模式。一般懸臂樑結構是使用d31模式（參見圖五）。

由於採集得到的振動能非常微弱，一般約50~250μW/cm2，換算下來，能提供的電壓非常少，電流也是毫安培級或微安級，根本不足以直接驅動負載端的低功耗感測器，解決之道就是需要先將其存儲到充電電池或電容器之中，然後再加以利用。

標準的能量採集供電系統（參見圖六），包含一個橋式整流器，負責將採集到的交流電轉換成直流電；其後連接一個儲電電容，等電量儲存累積到一定量時，再交由後續的電壓調整器（Regulation）或直流轉換器（DC/DC）執行升壓或降壓（Step-up or Step-down）的工作，此時產生的電壓電流量才足夠對充電電池供電，或直接對負載供電。

圖六、能量採集供電系統

資料來源：Piezoelectric MEMS Power Generators for Vibration Energy Harvesting in
http://www.intechopen.com/

目前壓電式能量採集系統的研究與開發主要分為二個部分，一是研發新型能量採集結構，以期能以最微型的體積採集到最大的能量；二是開發高效率的電荷儲存及電壓轉換電路。

其中在晶片設計方面，以目前低功耗的DC/DC轉換器來說，在正常工作下約需1~10mA的電流，待機約10~100μA，關機時也有1~2μA的流失，這些數據對一般手持裝置的電池而言，都足以應付；如果直接將這些DC/DC轉換器設計在自我供電（Self-powered）的系統中，將很快地消耗掉前端採集器所收集累積的電量，因此，對晶片設計工程師而言，欲研發出適用於能量採集系統的超低功耗電路，所面對的將是全新設計觀念與全新架構的挑戰。

在應用方面，如行動中的車輛必定產生振動能，利用能量採集技術從輪胎的震動中提取電能，再直接供電給輪胎上的胎壓監測系統（TPMS）晶片，即可大幅減少更換電池的次數。又如發電鞋，邊走邊發電，雖然目前的設計所產生的電量，仍不足以充飽一支手機，但做為緊急或臨時電源之用，還算是蠻實用的。

最後，我們可以參考看看於2015年1月8日公開的德州儀器的發明專利申請案：自我供電的壓電式能量採集微系統（Self-Powered Piezoelectric Energy Harvesting Microsystem，公開號US 2015/0008792 A1）（參見圖七）。

圖七、US 2015/0008792 A1

資料來源：USPTO

這項發明是為生物醫學植入或遠端人體遙測而設計的，採用MEMS-CMOS製程及後續整合技術，不但要能自我發電供電，系統體積也絕對是越小越好，因此必須整合能量採集系統前端的壓電採集器，以及電源管理、微處理器、記憶體、遙測電路於一單晶片上，再加上將高效充電電池及感測器附著於該晶片上，即成為一顆完整的單晶片微系統，雖尚無實際商品問世，但也足以讓世人了解能量採集技術結合半導體技術的無窮潛力。

作者： 謝錦星 現任： 北美智權教育訓練處 研發創新顧問 經歷: 友順科技股份有限公司 技術行銷資深工程師 合邦電子股份有限公司 類比IC技術經理 盛群半導體股份有限公司 ASIC設計工程師 普誠科技股份有限公司 數位IC設計工程師 學歷: 美國紐約州立大學電機工程碩士 專長： 類比IC設計、半導體製程

Facebook 在北美智權報粉絲團上追踪我們