外文翻譯（中文）---簡(jiǎn)易微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的無線供電方案

1、<p><b>　　中文6298字</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)外文資料翻譯</p><p>　　學(xué) 院： 理工學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 </p><p>　　姓

2、名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　外文出處： Dept. of Electrical Engineering, ____________Univ. of Notre Dame

3、 </p><p>　　附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　簡(jiǎn)易微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的無線供電方案</p><p>　　摘要 近來，隨著微切削加工技術(shù)的發(fā)展，離散微器件的結(jié)構(gòu)也日趨成熟；因此，系統(tǒng)的整合變得越來越重要。微器件尤其

4、是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供電需求成為了妨礙這種整合系統(tǒng)的發(fā)展的因素。由于某些型號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)電壓和電源要求較高，在芯片上整合電源供應(yīng)器是不可行的，并且微機(jī)電系統(tǒng)因供電需求而被連接裝置束縛是不方便的。片裝無線供電電源可應(yīng)用于解決此問題。在這里，展示一個(gè)利用核心處有空隙的變壓器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易無線供電方案。副變壓器制造在芯片上并且和主變壓器分開。實(shí)驗(yàn)和模擬用來使主副變壓器耦合良好。獲得接近于0.8的耦合系數(shù)。研究了變壓器的頻率特性。在此演示的薄膜副變壓器工作

5、頻率為小于幾兆赫?？捎酶唠妷海?23.4Vpp）和功率（4.5 Wrms)由經(jīng)副變壓器傳輸至負(fù)載來展示傳送能力。</p><p>　　關(guān)鍵詞：微機(jī)電系統(tǒng)供電、芯片供電、電感耦合、集成電感器</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　作為一個(gè)相對(duì)較新的研究領(lǐng)域，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)日益受到關(guān)注。盡管對(duì)離散微器件的研究已經(jīng)

6、很深入，相對(duì)而言，整合在一個(gè)芯片上的系統(tǒng)卻很少出現(xiàn)。這種系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的功能并被廣泛接受。然而，大多數(shù)微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備，尤其是微致動(dòng)器，對(duì)于供電有特殊的要求；有些設(shè)備需要高電壓，然而有些又會(huì)需要高功率輸入。因此，某些情況下驅(qū)動(dòng)一個(gè)這樣的芯片有可能需要不只一個(gè)電源，從而增加了連接數(shù)目，這會(huì)對(duì)封裝不利。而且，尋找一種方法使微機(jī)電系統(tǒng)能夠擺脫電源的束縛從而給予其更靈活的空間并且可以用于醫(yī)學(xué)植入或其它領(lǐng)域是很有吸引力的。本文探索微系統(tǒng)感應(yīng)供電的

7、可行性，并用于縮減系統(tǒng)規(guī)模，節(jié)約效能預(yù)算，還有解除系統(tǒng)的機(jī)械和電氣束縛。</p><p>　　利用電化學(xué)電池是一種芯片供電方式，例如電池，不過這種方式受限于有限的電池容量和壽命。因此，在某種情況下，再生能源供應(yīng)是更加合適的。其他一些發(fā)電方案的原型已經(jīng)出現(xiàn)。例如，威廉姆和耶茨論證了一個(gè)利用運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能來發(fā)電的微型發(fā)電機(jī)，大小約為5mm×20mm×1mm能夠提供70Hz 、1μW和300

8、Hz 、0.1 mW的電能。Qu et al展示了16mm×20mm×0.05mm熱電模塊產(chǎn)生一個(gè)熱電輸出8.4mV/ K和K的能力是戰(zhàn)略上面提到的產(chǎn)生30電壓0.25 V的溫度差異不能產(chǎn)生電力MEMS器件的許多可用的數(shù)量。作為替代方案，1氫化非晶硅（α- Si：H的）太陽能電池陣列已被證明是一個(gè)靜電MEMS5，6片上電源。它是由一個(gè)開路電壓串聯(lián)陣列100個(gè)太陽能電池生產(chǎn)1平方厘米，（一單細(xì)胞層的三針/腳/針：高）的

9、a - Si占地總面積為1的數(shù)組200伏，轉(zhuǎn)換效率低于5％的設(shè)備。雖然這種方法可以提供足夠的靜電電壓，其電流源的能力是有限的。此外，它需要一個(gè)外部光源，可能并不總是可用。</p><p>　　相比之下，電感芯片耦合功率上結(jié)合物理連接的優(yōu)點(diǎn)，不，不可拆卸部件，高可靠性和效率，集成電路制造的兼容性和易用性的包裝。在這里，我們報(bào)告一個(gè)原型電源芯片基于變壓器二次線圈，硅微加工上。變壓器主要是繞鐵氧體差距的核心納入一個(gè)變量

10、的空氣。當(dāng)副線圈的差距插入到空氣中，能源是耦合從主方到二次側(cè)。對(duì)于這樣一個(gè)戰(zhàn)略，有線圈的必要性歸納能力，但許多系統(tǒng)允許這種線圈計(jì)算在內(nèi)，離開了MEMS系統(tǒng)布線免費(fèi)互連。我們的設(shè)計(jì)測(cè)試，并在血液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終納入，是一個(gè)C -核心設(shè)計(jì)。也有人提出了植入7種不同的核心設(shè)計(jì)，8，它們具有較低的耦合系數(shù)，從而減少功率傳遞到負(fù)載比設(shè)計(jì)中描述了這里。我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)線圈耦合高達(dá)4.5 Wrms權(quán)力負(fù)載通過我們的副線圈。</p><p

11、><b>　　2.原理</b></p><p>　　由經(jīng)營(yíng)理論變壓器電磁感應(yīng)原理。當(dāng)交流電壓線圈上的應(yīng)用，不斷變化的磁場(chǎng)線圈共同具有的核心是路徑形成的磁場(chǎng)產(chǎn)生的。反過來，一個(gè)相同的頻率交流電壓的作用是在其他線圈，電能傳輸電路從輸入到輸出。擬議可拆卸集成變壓器的不同連接到傳統(tǒng)的一，二次是在沒有物理其余的變壓器，但不是在同一個(gè)硅芯片上集成。由于能源領(lǐng)域所取得的轉(zhuǎn)讓是通過磁場(chǎng)在空氣中的差距，

12、重要的是涉及變壓器性能之間耦合的主要和次要的。對(duì)于不完全耦合變壓器，與原理圖如圖所示。 1，每個(gè)終端電壓壓降可表示為：</p><p>　　圖 1 帶有互感M變壓器示意圖</p><p>　　在第一級(jí)，二級(jí)和M是主要的電感，電感和互感副線圈分別是第二和ZL終端負(fù)載阻抗跨越。的L1之間的耦合程度，主線圈和副線圈的相關(guān)定義為耦合系數(shù)，K，這是，L2和M的：</p><p&g

13、t;　　耦合系數(shù)是對(duì)變壓器性能優(yōu)異的最重要的人物之一。當(dāng)一個(gè)線圈（例如為，二級(jí)）的短路，V1的可以寫為:</p><p>　　請(qǐng)注意，阻抗進(jìn)入一個(gè)次要短路變壓器初級(jí)尋找理想是零。對(duì)于非理想變壓器，剩下的短路阻抗與二級(jí)相當(dāng)于一個(gè)電感值（1 - k2的）。等效電感（1 - K2型）L1是所謂的初級(jí)漏感，因?yàn)檫@無助于長(zhǎng)遠(yuǎn)的副線圈，而是來自于一個(gè)可能的負(fù)載電壓減去影響深刻到磁通量。 （同樣，相同的關(guān)系，可為次要方面。）我

14、們使用這個(gè)尺寸的關(guān)系，以獲取以下的耦合系數(shù)。</p><p>　　隨著對(duì)二次側(cè)負(fù)載ZL，電壓V1和電流編排的I1相關(guān)的，</p><p><b>　　可以被寫為：</b></p><p>　　因此，在二次側(cè)的阻抗可以反映到由乘以k2L1/L2倍，并在初級(jí)側(cè)與主激磁電感k2L1個(gè)平行的。對(duì)于理想的變壓器，k2L1/L2可以減少到(N1/N2)2&

15、lt;/p><p>　　基于以上的推導(dǎo)，一個(gè)變壓器的等效電路模型如2圖所示，考慮寄生效應(yīng)。主線圈和副線圈線圈寄生電阻和電容，二次側(cè)寄生在被視為負(fù)載。變壓器的二次加工，是一個(gè)螺旋式電感器制造的平面上一氧化硅晶片。寄生效應(yīng)是顯著的加工技術(shù)引入二次側(cè)所施加的限制，因?yàn)?。存在著比較大的串聯(lián)電阻厚度造成的小金屬，也不可忽略電容分流線附近的金屬基體，通過氧化和領(lǐng)域的密切由于電感。</p><p>　　該系

16、列電阻降低效率到負(fù)載的能量轉(zhuǎn)移，電感和寄生電容一起形成一個(gè)共振頻率相當(dāng)于f=1/2π 電路與自我，實(shí)行了變壓器，一個(gè)工作頻率上的限制以外的輔助不再作為一個(gè)電感器的功能，而是作為一個(gè)電容器。寄生電阻和電容的主要是更重要的一面相比，那些在第二位的。核心損耗電阻，RCORE，在核心與平行損失為能源的主要賬戶。</p><p>　　VS: 開路源電壓

17、 ZS: 激勵(lì)源內(nèi)阻抗</p><p>　　ZL: 負(fù)載阻抗 RCORE: 磁芯損耗電阻</p><p>　　R1: 主線圈直流電阻 R2:副線圈直流電阻</p><p>　　L1: 主線圈感應(yīng)系數(shù)

18、 L2:副線圈感應(yīng)系數(shù)</p><p>　　L1， m: 磁化電感e， L1，m=k2· L1 L1， l: 漏感， L1，l=(1-k2)· L1</p><p>　　C1: 主線圈分布電容

19、 C2: 磁線圈分布電容</p><p>　　C12:主線圈至磁線圈電容 k: 耦合系數(shù)</p><p>　　圖2 變壓器等效電路</p><p>　　負(fù)載，電容和寄生電感一起構(gòu)成諧振頻率等效電路與f=1/2π 實(shí)行了變壓器，一個(gè)工作頻率上的限制以外的輔助功能已不再作為一個(gè)電感器，但而不是作為一

20、個(gè)電容器。寄生電阻和電容的主要是更重要的一面相比，那些在第二位的。核心損耗電阻，RCORE，在核心與平行損失為能源的主要賬戶。電路中的元素具有不同的配置不同的重要性變壓器。在這個(gè)文件中，主要關(guān)注的是提高耦合系數(shù)，找出最佳工作頻率范圍。這些問題將在下面的章節(jié)提到。</p><p>　　變壓器是由一個(gè)繞線初級(jí)，鐵氧體磁芯和一個(gè)輔助彈簧圈上的硅晶片。其核心是由兩部分組成，以提供一個(gè)可調(diào)節(jié)的空氣間隙。圖3顯示了在測(cè)試夾具

21、的核心和線圈支持。金屬制品業(yè)副線圈是安裝在印刷電路板，便于操作。二次是一個(gè)邊長(zhǎng)的平方平均螺旋彈簧圈12mm作為幾何圖。 4（1）。加工涉及電子束蒸發(fā)的銅層的一氧化硅晶片，并發(fā)射的圖案。銅線圈為1.2微米厚。線圈有10轉(zhuǎn)和80微米的金屬痕跡以100微米間距寬。電氣參數(shù)的物理和核心，第二是總結(jié)于表1。</p><p>　　2.線圈的制造及其特點(diǎn)</p><p>　　變壓器是由一個(gè)繞線初級(jí)，鐵氧

22、體磁芯和一個(gè)輔助彈簧圈上的硅晶片。其核心是由</p><p>　　兩部分組成，以提供一個(gè)可調(diào)節(jié)的空氣間隙。圖3顯示了在測(cè)試夾具的核心和線圈支持。金屬制品業(yè)副線圈是安裝在印刷電路板，便于操作。二次是一個(gè)邊長(zhǎng)的平方平均螺旋彈簧圈12mm作為幾何圖。 4（1）。加工涉及電子束蒸發(fā)的銅層的一氧化硅晶片，并發(fā)射的圖案。銅線圈為1.2微米厚。線圈有10轉(zhuǎn)和80微米的金屬痕跡以100微米間距寬。電氣參數(shù)的物理和核心，第二是總結(jié)

23、于表1。</p><p>　　表1. 主副核心的物理參數(shù)</p><p>　　線圈阻抗的測(cè)定是使用40千赫至110兆赫的安捷倫4294A阻抗分析儀在頻率范圍內(nèi)。曲線的阻抗與頻率特性進(jìn)行擬合使用3元模型，如圖所示。 4（b）項(xiàng)提取的集總元件的值。模型比較從線圈阻抗測(cè)量計(jì)算值與圖中給出。 4（三）與L = 3.4μH之間，R= 95.5Ω和c = 67 pF的，它可以看出，實(shí)測(cè)值和計(jì)算以及與其

24、他各同意。該次級(jí)線圈自我共振頻率大約是10兆赫。這些參數(shù)將用于低于預(yù)測(cè)的變壓器頻率響應(yīng)。圖 4 利用集總元件對(duì)副線圈的阻抗測(cè)量和曲線擬合 ((b)中對(duì)應(yīng)參數(shù)， L = 3.4 μH,R = 95.5 Ω,C = 67 pF)。</p><p><b>　　4.變壓器測(cè)試</b></p><p>　　對(duì)于前面提到的原因系數(shù)，耦合是一個(gè)值得探討的重要人物，以變壓器設(shè)計(jì)的。

25、耦合系數(shù)是通過以下方式獲得，指圖。 2：打開電路中的主線圈和副線圈共測(cè)量電感，L』= 12;短路的主線圈和副線圈電感措施，即現(xiàn)在的漏感，L''。在不同的測(cè)量線圈電感兩者的磁化電感線圈，它等于L2，m=k2L2。因此，k=(L2,m)0.5 = (L’-L’’/L’)0.5 。 （對(duì)于一個(gè)理想的變壓器，這應(yīng)該同意測(cè)量方K的主。我們的測(cè)量不能主要表現(xiàn)在由于方程不歐姆有效期為大ZL，這是95.5的阻力的情況下為我們的盤管系列與

26、。 ）嚴(yán)格來說，只有當(dāng)電抗線圈寄生效應(yīng)，如由于電容，總有一個(gè)微不足道的影響可以準(zhǔn)確的電感值來衡量。因此，我們的測(cè)量難免受到寄生電容的一些錯(cuò)誤，因?yàn)榧{因在高頻率變得顯著。不過，我們的k值是有意義的測(cè)量在較低的頻率，以及他們所服務(wù)的設(shè)計(jì)目的比較不同變壓器。</p><p>　　變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)的第一步是研究在何種程度上兩個(gè)線圈的相對(duì)位置會(huì)影響他們的耦合。由于初級(jí)線圈可以自由地沿著核心，主要安置在被調(diào)查，如圖5（a）所示

27、研究。</p><p>　　圖5表明，耦合系數(shù)與頻率相關(guān)，這是由于各種效果。在適度的高頻率，渦電流限制乙有效地增加領(lǐng)域滲透導(dǎo)體繞組從而降低漏電，能源光在更高的頻率，寄生電容短路的副線圈，所以有效的耦合跌幅。較低頻率的數(shù)據(jù)，但是，準(zhǔn)確的，因?yàn)樵诘皖l率的電容納低到可以忽略。曲線的耦合系數(shù)采取年底在較低的0.80，0.75和0.41 8 -輪流分裂，主線圈分別分布在小臂上和主線圈在大臂上。這些結(jié)果表明，耦合系數(shù)，可大大

28、降低之間增加了物理分離的主線圈和副線圈的高滲透性盡管使用了鐵素體核心。這種設(shè)計(jì)并不適用于植入微機(jī)電系統(tǒng)，而且，實(shí)際的其他系統(tǒng)，如實(shí)驗(yàn)室的單晶片，目前正在巴黎圣母院發(fā)展的。 （次級(jí)線圈自我共振頻率圖低于英寸4（c）項(xiàng)，因?yàn)槭褂昧艘粋€(gè)空氣測(cè)量核心，而在這里插入線圈是在向空氣間隙的鐵芯，電感的增加導(dǎo)致降低自振頻率。）</p><p>　　為了驗(yàn)證耦合系數(shù)是合理的，二次電壓的比值，以留下深刻影響的開路電壓測(cè)量和初級(jí)圖繪制

29、在頻率范圍從50千赫至3兆赫，如圖5（b）所示。并比較模擬使用上述k值。該協(xié)議的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬表明，k值，測(cè)量線圈的提取是有效的，盡管在上述假設(shè)討論。</p><p>　　電感線圈是用在圖5（c）的模擬，而不是因?yàn)榫€圈轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系為L(zhǎng)=N2/R（其中N是轉(zhuǎn)數(shù)，R是路徑磁阻磁）只適用于完美的耦合，以及非理想的變壓器等，因?yàn)檫@些，也就是為K表<1，電感比平方根的不再等于匝數(shù)比。初級(jí)電感量測(cè)分別為13.7μH之間，

30、6.3和3.8μH之間分別為8個(gè)大μH之間輪流上主線圈，布置在大臂和小臂上，以及分布主線圈。有人可能會(huì)認(rèn)為，主要是立場(chǎng)獨(dú)立的電感線圈的磁場(chǎng)內(nèi)的道路，但對(duì)于非理想電感，漏磁循環(huán)起著重要的作用，圍繞不愿意下降。在這種情況下，把差距線圈穿過空氣造成的影響主要有兩個(gè)，以提高電壓比：（a）生成一個(gè)氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度最大跨越，增加K值，如圖5（b），（b）降低初級(jí)電感，相當(dāng)于減少變壓器輪流在一個(gè)理想的數(shù)字主線圈。</p><p>

31、　　下一步采取的最大磁耦合是探討依賴初級(jí)線圈耦合系數(shù)數(shù)目在轉(zhuǎn)。圖6給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而為這個(gè)副線圈有2mm的空氣間隙和10?？梢钥闯?，耦合系數(shù)的主線圈5又是明顯比原來少多初選后認(rèn)為，和系數(shù)-在耦合小的差異8 10 - 20轉(zhuǎn)初選很可能是由于缺乏在創(chuàng)造手傷一次線圈的精度。轉(zhuǎn)線圈，只有極少數(shù)有降低轉(zhuǎn)數(shù)，因?yàn)轳詈舷禂?shù)低，產(chǎn)生的磁通量是不能有效地約束范圍內(nèi)的核心，和漏磁更為嚴(yán)重。</p><p>　　上述測(cè)量均進(jìn)行了2m

32、m的空隙，而且是有益的行為研究的空白耦合系數(shù)在不同的空氣。圖7（a）和（b）表明系數(shù)與耦合變壓器10 -轉(zhuǎn)折，2至5mm20初選與轉(zhuǎn)空氣縫隙。正如預(yù)料的那樣，把初選耦合系數(shù)下降，空氣間隔之交和20擴(kuò)大。10 –耦合系數(shù)減少在大約同樣的比率為變壓器。它也表明，10圈的首要可以只磁通量的核心，以及一個(gè)20圈的初選。</p><p>　　圖7 10匝（a）和20匝（b）的變壓器主線圈在不同氣隙下的耦合系數(shù)</p

33、><p>　　在上述討論中，提到在變壓器線圈不能操作頻率超過其在任何頻率。一個(gè)正常的頻率范圍勘探變壓器性能超越其揭示了一些有趣的功能。如圖8所示，電壓比例保持不變高達(dá)1 MHz的，然后迅速上升和山峰之間的9?10兆赫的頻率急劇下降較高。這種現(xiàn)象可以解釋如下：在低頻率，開路電壓比可表示為V2/V1=k 的關(guān)系，這是特點(diǎn)決定了變壓器;在更高的頻率，寄生電容等因素，寄生電容等其他因素開始占主導(dǎo)地位，以及強(qiáng)烈的二次電壓的影響

34、泄漏電感的共振之間的寄生電容和。利用線圈圖的等效電路圖4（b）與耦合系數(shù)，功能變頻器電壓的比例，采用Micro-Cap 6? 9模擬結(jié)果如圖9。研究在圖9中看到的放大。結(jié)果從圖9電感和漏一串聯(lián)諧振內(nèi)二次寄生電容。</p><p>　　圖9 模擬（a）8匝和（b）10匝主線圈變壓器開路時(shí)V2/V1與頻率的函數(shù)關(guān)系圖</p><p>　　上述討論確定，為最大限度地提高磁耦合，初級(jí)應(yīng)分別在空氣中

35、的差距，有一個(gè)回合下限線圈數(shù)為駕駛;由于寄生電容和電感固有的綜合內(nèi)變壓器，經(jīng)營(yíng)變壓器頻率建議應(yīng)不超過該項(xiàng)目的目標(biāo)以來幾兆赫。是建立一個(gè)芯片上可容納的供電計(jì)劃MEMS器件特殊的電源要求，是有關(guān)以展示我們的原型多功能變壓器。對(duì)于差距變壓器10圈主線圈和1 2mm的空氣，223.4 Vpp的是獲得1 Vpp的主要影響253.1電壓在744.9千赫，如圖所示研究。 10。這種電壓是的元件，微機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)作等如上述討論確定，為最大限度地提高磁耦合

36、器，主要應(yīng)分別穿過空氣間隙和有會(huì)話話輪轉(zhuǎn)換低限線圈數(shù)的驅(qū)動(dòng); 得到到固有的寄生電容和電感集成在變壓器，變壓器的工作頻率提出了應(yīng)不超過該項(xiàng)目的目標(biāo)以來幾兆赫。是建立一個(gè)芯片上可容納的供電計(jì)劃滿足微機(jī)電系統(tǒng)器件特殊的電源要求，它是有關(guān)證明了我們的原型變壓器的多功能性。對(duì)于差距變壓器10圈主線圈和1 2mm的空氣，223.4 Vpp的是獲得1 Vpp的主要影響253.1電壓在744.9千赫，如圖10所示，這種電壓為這種行動(dòng)的適當(dāng)?shù)奈C(jī)電系統(tǒng)器

37、件。</p><p><b>　　5.綜述</b></p><p>　　在此，提出了一種證明變壓器的是一個(gè)可拆卸的芯片上，提出了采取行動(dòng)的輔助電源作為一個(gè)無線MEMS器件，以及業(yè)務(wù)變壓器。實(shí)驗(yàn)和模擬已進(jìn)行了綜合表征線圈，最大限度地提高磁耦合，并確定變壓器的頻率特性。最大耦合系數(shù)0.8已取得的為2mm的空隙，并通過模擬測(cè)試已被證實(shí)。在芯片上的寄生電容和變壓器變壓器工作頻

38、率限制至幾MHz之內(nèi)。對(duì)于時(shí)間，所有的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行抵抗高，薄膜二次線圈，但已顯示出變壓器高壓和高功率能力。由于采用的更先進(jìn)的制程，如深反應(yīng)離子蝕刻和電鍍，預(yù)計(jì)該變壓器的性能可以進(jìn)一步改善，內(nèi)阻大幅度下降，以及可能的達(dá)成背端放置，以保護(hù)芯片系統(tǒng)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)（見原文）</b></p><p>　　附件2：外文原文（復(fù)印件）</p>