集成传感器光电微能源能量转换、存储、输配及片上集成机理研究

With the micromation of the wirelss MEMS micro sysytem(sensor and actuator), the traditional battery supply mode has become a major bottleneck for the self-government and enlarge application field of the micro system due to its big volume(weight),short using time，etc. To solve this problem, the micro-power supply system integrated on chip is attaching more and more attentions. The system integrates with entironment energy converter that converts th entironment energy to supply for micro system. But,the theories of energy conversion,storage and control for miecro-power supply are not established, and the design technology of intrgated micro-power supply need to further research.In the project, the key theory and technology problems of integration devices design and techniques are solved throught studing the theory of energy control,high efficient solar cells design,energy storage and integration technique on chip，etc. The research results of the project provide supprot in theory, experimentation and technology for design of self-prower MEMS micro system. The major research contents include three aspects:a)the energy control theory of the micro solar power supply integrated with MEMS sensor; b)the intgrated technique and theroy of micro solar cells , MEMS sensor ,control circuitry and energy storage device; c)the design theory of system for the micro solar power supply on chip,design the prototype of the micro solar power supply integrated with MEMS capaciance pressure sensor and the performance test of prototype.

随着无线MEMS微系统（传感器和执行器）的微型化，传统的干电池供电方式存在体积（重量）大、使用时间短等问题，已成为影响MEMS微系统自治和应用领域扩展的主要瓶颈。片上集成微能源作为一种新的解决方案得到广泛的关注，其利用环境能量转换器，转换环境能量为微系统供电。但是，片上集成微能源的能量转换、存储和控制相关理论没有建立，设计工艺需进一步完善。项目拟通过集成MEMS传感器光伏微能源能量控制理论、高效微太阳能电池和微能量存储器设计及片上集成机理等研究，解决光电微能源的能量控制和片上集成等关键理论与技术问题，建立片上集成微能源能量输配管理的基础理论，为片上集成光电微能源的实用化提供理论、实验及技术支撑。项目研究的主要内容包括：集成传感器微能源能量转换、存储、输配控制管理机理，微器件结构及集成技术基础，片上集成光电微能源系统设计理论及集成光电微能能源MEMS电容压力传感器样机设计与特性测试。

项目结合MEMS无线传感器节点的功耗特点，针对集成无线传感器节点光电微能源能量转换、传输、存储及系统设计等展开研究，研究内容主要包括：集成MEMS传感器光电微能源能量转换、存储及分配控制机理研究，微太阳电池、固体锂离子电池、倒岛膜电容压力传感器、能量管理系统等主要器件的制备工艺及特性研究，光电微能源系统协同设计模型建立与应用研究，片上集成能量暂存式和能量存储式光电微能源系统的设计、特性分析及集成工艺研究，混合能量存储光电微能源样机设计及其特性测试研究等。研究结果表明：（1）设计的混合能量管理控制技术利用MEMS传感器的功耗特点实现对光电微能源能量转换、存储及供电控制管理，能使太阳电池工作点被控制在最大功率区，具有较大的输出转换效率，与直接能量存储相比，太阳电池输出能量提高27%。（2）提出硅太阳电池、场效应管（MOSFET）、三极管、电阻器和电容器等器件基于SOI晶片的光电微能源片上集成方案，其集成设计过程主要由7个工艺步骤构成，具有较高的工艺兼容性，基底掺杂浓度在1.0×1015/cm3-1.0×1017/cm3之间，发射区掺杂浓度在1.0×1019cm3-1.0×1021/cm3之间，太阳电池光电转换效率较高。（3）设计的固体薄膜锂离子电池具有较好的放电特性，在放电电流为25.6C时，其放电容量达到电流为1C时的76%。（4）设计的倒岛膜凹槽结构电容压力传感器，较好解决了测量灵敏度、线性度和测力范围之间的矛盾，在120KPa的测力范围内，测量线性度和灵敏度分别为0.98215，0.003733pF/kPa。（5）建立了集成无线传感器节点光电微能源系统的优化设计理论模型，为光电微能源的优化设计提供了理论基础。（6）设计了能量暂存式和混合能量存储两种片上集成光电微能源系统，有效利用MEMS传感器节点的功耗特点，具有结构简单，集成工艺兼容性好的特点。另外，设计集成传感器的光电微能源样机，实验结果表明，具有较好的工作稳定和适应性，太阳电池输出功率约为其最大功率的85%，脉冲式为能量存储器充电，满足锂离子电池合理充电的要求，设计方案在光电微能源中应用是可行的。.总之，通过项目研究，发表论文13篇，其中SCI(EI)收录论文6篇，申请专利4项，获得授权3项，研究结果为设计自供能无线传感器节点提供了理论及实验依据，对于促进无线传感器网络的应用具有极大科学意义。