TW571494B - Micro power supply with integrated charging capability - Google Patents

Description

571494 A7 _________ B7 五、發明説明（彳) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明揭示之內容是關於一般用於微電子機械系統（ Μ E M S )之電源供應器，更特別是關於具有整合充電能 力之微電源供應器。 隨著用於製造微電子機械系統（Μ E M S )裝置（例 如，在矽晶圓中之微型馬達、致動器、感應器，等）之微 電子製造方法之發展，而產生對於微電源供應器之需要， 以提供電源而操作這些裝置。目前使用傳統式小的微型電 池或類似小的電池以達成此等電源需求。最近，使用傳統 之砂微電子處理技術而發展出新的技術以製造微電池。藉 由一些化學處理步驟（其使用微影技術、濕式與乾式化學 鈾刻方法，淸洗步驟、以及金屬接觸之熱蒸發等技術之組 合）已製造出鎳一鋅（N i - Ζ η)微電池。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 雖然這些微電池可以完全被整合入矽晶圓中，它們如 作爲主要電池只提供有限之容量。.然而作爲次要電池它們 具有被重新充電之能力。此種用於將微電池重新充電之技 術涉及使用位於矽晶圓外之電源。不幸的是，這限制了整 合微電池之微電源供應器之基本的微型化（miniaturization )0 發明總沭 以上所討論之習知技術之缺陷與不足可藉由本發明之 微電源供應器而克服或減輕。在典型之實施例中，此微電 源供應器包括形成於基板中之微電池與能量收集裝置用於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） " — -4- 571494 A7 B7 五、發明説明（2 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 從局部周圍環境擷取能量。在基板中亦形成能量轉換裝置 、用於將由能量收集裝置所擷取之能量轉變成供應微電池 之電氣充電能量。 在較佳實施例中，能量收集裝置亦形成於基板中。在 基板中更形成依據模糊邏輯所設計之充電控制裝置、用於 控制由能量轉換裝置至微電池之充電電流與輸出電壓。此 充電控制裝置經由脈衝寬度調變電路之切換（switching ) 將能量轉換裝置選擇性地連接至微電池。 在另一實施例中，用於微電子機械系統（Μ E M S ) 之一種整合式可充電之微電源供應器包括··形成於半導體 基板中之微電池、與形成於基板中之太陽能電池用於由局 部周圍環境擷取光之能量。此太陽能電池將光之能量轉換 成電氣充電能量而供應至微電池。在此基板中亦形成充電 控制裝置，並且選擇性地將太陽能電池連接至微電池。 圖示之簡單說明 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 請參考示範圖式，其中在數個圖中相同之元件被標示 相同的號碼： 第1圖爲根據本發明實施例之由微電子處理技術所形 成之整合微電源供應器之方塊圖；以及 第2圖爲在第1圖中所示微電源供應器之典型實施例 之槪要圖式。 主要元件對照表 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -5- 571494 A7 B7 五、發明説明 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1〇 12 14 16 18 2 0 2 2 2 4 2 6 3〇 3 2 3 4 3 6 3 8 4 0 4 2 4 4 4 6 4 8 整合 倉b量 能量 充電 微電 第一 第一 第二 太陽 P Μ 第一 電感 第二 電流 金屬 Μ〇 脈衝 充電 微電源供應器 收集裝置 轉換器 控制裝置 池 電壓測量裝置 電流測量裝置 電壓測量裝置 電流測量裝置 能電池 〇S / Ν Μ〇S電晶體對 電壓感測器 器 電壓感測器 感測器 氧化物半導體場效應電晶體 S F Ε Τ驅動電路 寬度調變（PWM)電路 控制器 實施m霞姻說明 於此所揭示者爲完全整合式微電源供應器，其包括微 電池、能量收集裝置（例如，能量收集器）以及相關之電 池充電裝置。此種微電源供應器可以進一步與感測器平台 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -6 - 571494 A7 B7 五、發明説明（4 ) 整合至單一之積體電路基板中，其包括：感測器、無線電 收發單元與微處理器以形成完全整合獨立之感測器單元。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 首先請參考第1圖，其顯示根據本發明實施例之整合 式微電源供應器1 0之方塊圖。此整合電源供應器1 〇包 括能量收集裝置（scavenger ) 1 2，其由局部環境擺取倉g 量（例如是聲能、熱能、光能、化學能、震動能、電磁能 、壓電能）。此經收集之能量然後藉由能量轉換器1 4轉 換至直流電之形式中。如果此能量收集裝置1 2之輸出已 經是在直流電的形式中（例如像是太陽能電池之輸出）， 則排除能量轉換器之需求。能量轉換器1 4之直流輸出被 饋入充電控制裝置1 6之輸入線。充電控制裝置1 6調整 由能量轉換器輸出之電流與電壓，以便提供用於微電池 1 8之適當電流與電壓之充電位準。 此使用於控制由充電控制裝置1 6輸出之充電電流與 電壓之算法（Algorithm )是以軟體的方式內設於此裝置中 。此微電源供應器1 6之輸出電壓與電流是由微電池1 8 發出。使用第一電壓測量裝置2 0與第一電流測量裝置 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 2以測量由收集器/轉換器（1 2， 1 4 )對所輸出之 電壓與電流，而使用第二電壓測量裝置2 4與第二電流測 量裝置2 6以測量由充電控制裝置1 6至微電池1 8之電 壓與電流輸出。所有或一些此等電壓與電流値可以被使用 作爲控制參數用於控制微電池1 8之充電。 第2圖顯示於第1圖中所示微電源供應器1 0之特殊 典型實施例。在此例中之能量收集裝置1 2是光電式（ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇X；297公釐） 571494 A7 B7 五、發明説明（5 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) photoualtaic )太陽能電池3 0，其將局部環境之光線能量 轉換成電流與電壓。由於太陽能電池3 0之輸出已經是直 流之形式，在此特殊之實施例中，太陽能電池3 0執行能 量收集裝置1 2與能量轉換器1 4之雙重角色。此由太陽 能電池3 0之直流電輸出是取決於入射於此電池上之光線 強度。入射的光線愈強，則由太陽能電池2 0之電流與電 壓輸出愈大。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此實施例之充電控制裝置1 6是一種降壓轉換器。其 包括：PMOS/NMOS電晶體對32、第一電壓感測 器3 4、電感器3 6、第二電壓感測器3 8、電流感測器 40、金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET) 4 2、Μ〇S F E T驅動電路4 4、脈衝寬度調變（ PWM)電路4 6、以及充電控制器4 8。在此電路中之 MOSFET 4 2作爲開關來操作，而以P W Μ電路 4 6控制此開關之作業週期（duty cycle )(即，在此期間 開關導通（ο η )、而爲此開關整個切換期間之一部份） 。由於P W Μ電路4 6通常無法提供足夠之驅動電流以快 速地將MOSFET 42切換成導通（on)與切斷（ of f)，因此設置倂入MOSFET驅動電路44。充 電控制電路較佳具有高的電流接收能力用於快速地將 MOSFET 42切換成導通（〇N)與切斷（of f )° 在此MOSFET 42開關爲導通（〇N)(或爲 closed )期間，此由太陽能電池3 0流至微電池1 8之電流 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -8 - 571494 A7 B7 五、發明説明（6 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 隨著時間增加，因此將微電池1 8充電並且增加儲存在電 感器3 6中之能量。換句話說，當流經電感器3 6之電流 增加時，則儲存於此電感器中之磁場強度增加。此外，在 此Μ〇S F E T 4 2開關導電期間，此電晶體對3 2之 Ρ Μ〇S電晶體導電而此電晶體對之Ν Μ〇S電晶體不導 電。當Μ〇S F Ε Τ 4 2開關被切斷時，電流不再由太 陽能電池3 0流出。然而，此儲存於電感器3 6中之能量 作用爲來源，並且電晶體對3 2之Ν Μ〇S電晶體現在爲 導電（Ρ Μ 0 S電晶體現在被使得不導電），因此對於流 入電感器3 6中之電流提供電流路徑。儲存於電感器3 6 中之磁場強度減弱，因此造成流經它之電流減少。 更値得重視的是，此等施加於電晶體對3 2之閘極之 信號可以取自施加於Μ ◦ S F Ε Τ 4 2之閘極信號。此 外，熟知此項技術之人士將瞭解過濾電容器亦可以與降壓 轉換器電路之輸入與輸出電壓一起使用。 在此期間流經微電池1 8之電流亦減少。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 MOSFET 42整個切換週期之充電電流是：在 MOSFET 42之導電期間之上升電流、與 MOSFET 4 2在不導電期間下降電流之平均値。此 平均充電電流可以藉由改變MOSFET 14之作業週 期而控制，而此週期本身是由以程式置入於充電控制器 4 8中之軟體算法（saftware algorithm)控制。 此充電控制器1 6較佳是微控制器其具有足夠之記憶 體用於儲存充電控制軟體。在本發明之特殊實施例中，此 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -9 - 571494 A7 ___ _B7__ 五、發明説明（7 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 充電控制算法使用以模糊邏輯爲依據之方法，用於決定供 應微電池1 8所須之充電電流與電壓。此模糊邏輯模型之 輸入包括：跨越太陽能電池3 0之電壓（由第一電壓感測 器3 4測量），從太陽能電池3 0之電流輸出（由電流感 測器4 0測量），跨越微電池1 8之電壓（由第二電壓感 測器3 8測量）以及至P W Μ電路4 6之控制電壓 Vcontral。換句話說，此模糊模型之輸出電壓是以封閉迴路 之方式回饋以提供控制電壓Vcontral。有關於此用於決定 電池充電狀態之模糊邏輯方法之使用之其他資訊，可以由 Singh等人爲發明人之美國專利案號 USP 6， 011， 379中得知，其整個內容在此倂 入作爲參考。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在第2圖實施例中所說明之每一個組件可以使用傳統 之微電子製造技術（其包括但不受限於：微影術、濕式與 乾式化學蝕刻、淸洗步驟、以及金屬之沈積或蒸發）製成 於單一半導體基板（例如，矽基板）中。例如，熟知此技 術之人士瞭解此等矽太陽能電池是使用傳統之微電子製造 技術例行地製成而用於地面或太空之應用。此外，微控制 器、PM〇S裝置、NM〇S裝置、M0SFET、 M〇S F E T驅動器與PWM電路均以作爲商業之矽積體 電路製品而可取得。鎳-鋅（N i - Ζ η )微電池亦使用 傳統之矽微電子製造技術而製成。在更最近，亦可使用傳 統之矽微電子製造技術而製成感應線圈。 雖然此以圖式說明之第2圖之實施例將太陽能量電池 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -10- 571494 Α7 Β7 五、發明説明（8 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 描述作爲收集器/轉換器，亦可使用其他的能量收集與轉 換裝置。例如，可以設計射頻（R F )天線以接收射頻發 射電波，並且可以使用合適之整流/阻抗匹配網路以供應 直流（D C )充電能量給充電控制裝置1 6。而且，亦可 使用聲膜以收集聲音振動並且將其能量轉換成電氣信號， 而類似於微音器之操作。 雖然使用以上所說明本發明之實施例而實現了整合成 微電源供應器，其中每一個組件是使用傳統之矽微電子製 造方法個別製造。其結果是，解除對於遙遠、獨立之微電 子機械系統（Μ E M S )裝置（例如感測器）之運作能力 先前之限制。此外，隨著積體電路裝置變得愈來愈小，現 有之整合能力允許裝置之進一步的微型化。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 雖然本發明是參考較佳實施例作說明，但是熟知此技 術之人士暸解，對此等實施例可以作各種的改變並且對其 所使用之元件可以用等同元件替代而沒有偏離本發明之範 圍。此外，對於本發明之說明可以作許多修正以適應特殊 h況或材料，而沒有偏離其基本範圍。因此，本發明並不 Μ卩艮&其所揭示之特殊實施例作爲用於實施本發明而所設 想之最佳模式，而是本發明將包括在其所附之申請專利範 圍之範圍中所有的實施例。 本紙張尺度適用中國_標準（CNS ) Α4規格（21〇χ 297公釐） -11 -

Claims (1)

1. 571494 附件2 :第9imi〇9號專利申請案 中文申請專利範圍無劃線替換本民國92年11月3日修正 、申請專利範圍1 1 . 一種微電源供應器，其特徵爲包括： 形成於基板中之微電池； 用於由局部周圍環境擷取能量之能量收集裝置； 形成於該基板中之能量轉換裝置，用於將由該能量收 _裝置所擷取之能量轉變成電氣充電能量而供應該微《池 ;以及 形成於該基板中之充電控制裝置，用於控制由該能量 轉換裝置至該微電池之充電電流之流動與輸出電壓。 2 .如申請專利範圍第1項之微電源供應器，其中 該能量收集裝置是形成於該基板中。 3 .如申請專利範圍第1項之微電源供應器，其中·. 該充電控制裝置更包括模糊邏輯系統。 4 .如申請專利範圍第3項之微電源供應器，其中 該充電控制裝置藉由對於脈衝寬度調變電路施加控制 信號，而選擇性地將該能量轉換裝置連接至該微電池。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 5 .如申請專利範圍第3項之微電源供應器，其中 該充電控制裝置更包括多個輸入，該多個輸入包含： 由該能量轉換裝置之電壓與電流之輸出，以及至該微 電池之電壓輸入。 6 ·如申請專利範圍第4項之微電源供應器，更包括 由該脈衝寬度調變電路之輸出所驅動之Μ〇S F E T 開關。 7 .如申請專利範圍第6項之微電源供應器，更包括 Μ〇S F Ε Τ驅動電路用於接收該脈衝寬度調變電路 本紙張尺度適用中國國家摞準（CNS ) Α4規格（2】0Χ297公釐） 571494 Λ8 私 U.U : B8 C8 D8 一— _ 六、申請專利範圍 2 之該輸出並且驅動該Μ〇S F E T開關。 8 .如申請專利範圍第5項之微電源供應器，其中該 多個至該充電控制裝置之輸入更包括該控制信號。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 9 .如申請專利範圍第1項之微電源供應器，其中該 能量收集裝置與該能量轉換裝置更包括太陽能電池。 1〇.一種用於微電子機械系統（Μ E M S )之整合 可重新充電之微電源供應器，其特徵爲包括： •形成於半導體基板中之微電池； •形成於該基板中之太陽能電池用於從局部周圍環境 擷取光線能量，該太陽能電池將該光線能量轉換成 供應該微電池之電氣充電能量；以及 •形成於該基板中之充電控制裝置，用於選擇性地將 該太陽能電池連接至該微電池。 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之微電源供應器，其 中該充電控制裝置更包括： •由脈衝寬度調變電路所驅動之降壓轉換電路；以及 •用於提供控制信號給該P W Μ電路之充電控制器， 該充電控制器是依據模糊邏輯控制算法。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 2 ·如申請專利範圍第1 1項之微電源供應器，其 中該充電控制裝置藉由對該P W Μ電路施加該控制信號， 而選擇性地將該太陽能電池連接至該微電池。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項之微電源供應器，其 中該充電控制器更包括多個輸入，該多個輸入包含由該太 陽能電池輸出之電壓與電流，以及對該微電池之電壓輸入 度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（ίΤ〇Χ 297公:变1 ~ 571494

   六、申請專利範圍3 〇 1 4 .如申請專利範圍第1 3項之微電源供應器，其 中 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 該充電控制裝置更包括由該P W Μ電路之輸出所驅動 之Μ〇S F Ε Τ開關。 1 5 ·如申請專利範圍第1 4項之微電源供應器，其 中 該充電控制裝置更包括Μ 0 S F Ε Τ驅動電路，用於 接收該P W Μ電路之該輸出並且驅動該μ〇S F Ε 丁開關 〇 1 6 .如申請專.利範圍第1 5項之微電源供應器，·其 中 該多個至該充電控制裝置之輸入更包括該控制信號。 1 7 ·如申請專利範圍第1 5項之微電源供應器，其 中 該降壓轉換器電路更包括： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 及 T 徑 以 E 路 ;F 導 器 S 傳 感 ο 流 電 Μ 電 之該.供 聯當提 串在器 間於感 之用電 池，該 電對由 微體經 該晶時 與電中 池 S 態 電 ο 狀 能 Μ 電 陽 Ν 導 太 \ 非 該 S 在 在〇是Μ 關 Ρ 開 ο