外文翻譯（中文）---簡易微機電系統(tǒng)設備的無線供電方案

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

2、名： </p><p>　　學 號： </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>　　簡易微機電系統(tǒng)設備的無線供電方案</p><p>　　摘要 近來，隨著微切削加工技術的發(fā)展，離散微器件的結構也日趨成熟；因此，系統(tǒng)的整合變得越來越重要。微器件尤其

4、是執(zhí)行機構的供電需求成為了妨礙這種整合系統(tǒng)的發(fā)展的因素。由于某些型號的執(zhí)行機構對電壓和電源要求較高，在芯片上整合電源供應器是不可行的，并且微機電系統(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用于解決此問題。在這里，展示一個利用核心處有空隙的變壓器設計的簡易無線供電方案。副變壓器制造在芯片上并且和主變壓器分開。實驗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。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)由經副變壓器傳輸至負載來展示傳送能力。</p><p>　　關鍵詞：微機電系統(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>　　作為一個相對較新的研究領域，微機電系統(tǒng)(MEMS)日益受到關注。盡管對離散微器件的研究已經

6、很深入，相對而言，整合在一個芯片上的系統(tǒng)卻很少出現。這種系統(tǒng)將實現更高級的功能并被廣泛接受。然而，大多數微機電系統(tǒng)設備，尤其是微致動器，對于供電有特殊的要求；有些設備需要高電壓，然而有些又會需要高功率輸入。因此，某些情況下驅動一個這樣的芯片有可能需要不只一個電源，從而增加了連接數目，這會對封裝不利。而且，尋找一種方法使微機電系統(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)學植入或其它領域是很有吸引力的。本文探索微系統(tǒng)感應供電的

7、可行性，并用于縮減系統(tǒng)規(guī)模，節(jié)約效能預算，還有解除系統(tǒng)的機械和電氣束縛。</p><p>　　利用電化學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，再生能源供應是更加合適的。其他一些發(fā)電方案的原型已經出現。例如，威廉姆和耶茨論證了一個利用運動和振動產生的動能來發(fā)電的微型發(fā)電機，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熱電模塊產生一個熱電輸出8.4mV/ K和K的能力是戰(zhàn)略上面提到的產生30電壓0.25 V的溫度差異不能產生電力MEMS器件的許多可用的數量。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靜電MEMS5，6片上電源。它是由一個開路電壓串聯陣列100個太陽能電池生產1平方厘米，（一單細胞層的三針/腳/針：高）的

9、a - Si占地總面積為1的數組200伏，轉換效率低于5％的設備。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合物理連接的優(yōu)點，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，我們報告一個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變量

10、的空氣。當副線圈的差距插入到空氣中，能源是耦合從主方到二次側。對于這樣一個戰(zhàn)略，有線圈的必要性歸納能力，但許多系統(tǒng)允許這種線圈計算在內，離開了MEMS系統(tǒng)布線免費互連。我們的設計測試，并在血液監(jiān)測系統(tǒng)的最終納入，是一個C -核心設計。也有人提出了植入7種不同的核心設計，8，它們具有較低的耦合系數，從而減少功率傳遞到負載比設計中描述了這里。我們已經實現線圈耦合高達4.5 Wrms權力負載通過我們的副線圈。</p><p

11、><b>　　2.原理</b></p><p>　　由經營理論變壓器電磁感應原理。當交流電壓線圈上的應用，不斷變化的磁場線圈共同具有的核心是路徑形成的磁場產生的。反過來，一個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，但不是在同一個硅芯片上集成。由于能源領域所取得的轉讓是通過磁場在空氣中的差距，

12、重要的是涉及變壓器性能之間耦合的主要和次要的。對于不完全耦合變壓器，與原理圖如圖所示。 1，每個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，二級和M是主要的電感，電感和互感副線圈分別是第二和ZL終端負載阻抗跨越。的L1之間的耦合程度，主線圈和副線圈的相關定義為耦合系數，K，這是，L2和M的：</p><p&g

13、t;　　耦合系數是對變壓器性能優(yōu)異的最重要的人物之一。當一個線圈（例如為，二級）的短路，V1的可以寫為:</p><p>　　請注意，阻抗進入一個次要短路變壓器初級尋找理想是零。對于非理想變壓器，剩下的短路阻抗與二級相當于一個電感值（1 - k2的）。等效電感（1 - K2型）L1是所謂的初級漏感，因為這無助于長遠的副線圈，而是來自于一個可能的負載電壓減去影響深刻到磁通量。 （同樣，相同的關系，可為次要方面。）我

14、們使用這個尺寸的關系，以獲取以下的耦合系數。</p><p>　　隨著對二次側負載ZL，電壓V1和電流編排的I1相關的，</p><p><b>　　可以被寫為：</b></p><p>　　因此，在二次側的阻抗可以反映到由乘以k2L1/L2倍，并在初級側與主激磁電感k2L1個平行的。對于理想的變壓器，k2L1/L2可以減少到(N1/N2)2&

15、lt;/p><p>　　基于以上的推導，一個變壓器的等效電路模型如2圖所示，考慮寄生效應。主線圈和副線圈線圈寄生電阻和電容，二次側寄生在被視為負載。變壓器的二次加工，是一個螺旋式電感器制造的平面上一氧化硅晶片。寄生效應是顯著的加工技術引入二次側所施加的限制，因為。存在著比較大的串聯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，通過氧化和領域的密切由于電感。</p><p>　　該系

16、列電阻降低效率到負載的能量轉移，電感和寄生電容一起形成一個共振頻率相當于f=1/2π 電路與自我，實行了變壓器，一個工作頻率上的限制以外的輔助不再作為一個電感器的功能，而是作為一個電容器。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: 激勵源內阻抗</p><p>　　ZL: 負載阻抗 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: 主線圈感應系數

18、 L2:副線圈感應系數</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</p><p>　　圖2 變壓器等效電路</p><p>　　負載，電容和寄生電感一起構成諧振頻率等效電路與f=1/2π 實行了變壓器，一個工作頻率上的限制以外的輔助功能已不再作為一個電感器，但而不是作為一

20、個電容器。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。在這個文件中，主要關注的是提高耦合系數，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>　　變壓器是由一個繞線初級，鐵氧體磁芯和一個輔助彈簧圈上的硅晶片。其核心是由兩部分組成，以提供一個可調節(jié)的空氣間隙。圖3顯示了在測試夾具

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。二次是一個邊長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轉和80微米的金屬痕跡以100微米間距寬。電氣參數的物理和核心，第二是總結于表1。</p><p>　　2.線圈的制造及其特點</p><p>　　變壓器是由一個繞線初級，鐵氧

22、體磁芯和一個輔助彈簧圈上的硅晶片。其核心是由</p><p>　　兩部分組成，以提供一個可調節(jié)的空氣間隙。圖3顯示了在測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。二次是一個邊長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轉和80微米的金屬痕跡以100微米間距寬。電氣參數的物理和核心，第二是總結

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

24、他各同意。該次級線圈自我共振頻率大約是10兆赫。這些參數將用于低于預測的變壓器頻率響應。圖 4 利用集總元件對副線圈的阻抗測量和曲線擬合 ((b)中對應參數， L = 3.4 μH,R = 95.5 Ω,C = 67 pF)。</p><p><b>　　4.變壓器測試</b></p><p>　　對于前面提到的原因系數，耦合是一個值得探討的重要人物，以變壓器設計的。

25、耦合系數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量電感，L』= 12;短路的主線圈和副線圈電感措施，即現在的漏感，L''。在不同的測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 。 （對于一個理想的變壓器，這應該同意測量方K的主。我們的測量不能主要表現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、。 ）嚴格來說，只有當電抗線圈寄生效應，如由于電容，總有一個微不足道的影響可以準確的電感值來衡量。因此，我們的測量難免受到寄生電容的一些錯誤，因為納因在高頻率變得顯著。不過，我們的k值是有意義的測量在較低的頻率，以及他們所服務的設計目的比較不同變壓器。</p><p>　　變壓器優(yōu)化設計的第一步是研究在何種程度上兩個線圈的相對位置會影響他們的耦合。由于初級線圈可以自由地沿著核心，主要安置在被調查，如圖5（a）所示

27、研究。</p><p>　　圖5表明，耦合系數與頻率相關，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域滲透導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。較低頻率的數據，但是，準確的，因為在低頻率的電容納低到可以忽略。曲線的耦合系數采取年底在較低的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。這些結果表明，耦合系數，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。這種設計并不適用于植入微機電系統(tǒng)，而且，實際的其他系統(tǒng)，如實驗室的單晶片，目前正在巴黎圣母院發(fā)展的。 （次級線圈自我共振頻率圖低于英寸4（c）項，因為使用了一個空氣測量核心，而在這里插入線圈是在向空氣間隙的鐵芯，電感的增加導致降低自振頻率。）</p><p>　　為了驗證耦合系數是合理的，二次電壓的比值，以留下深刻影響的開路電壓測量和初級圖繪制

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。該協議的實測數據和模擬表明，k值，測量線圈的提取是有效的，盡管在上述假設討論。</p><p>　　電感線圈是用在圖5（c）的模擬，而不是因為線圈轉數的關系為L=N2/R（其中N是轉數，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，因為這些，也就是為K表<1，電感比平方根的不再等于匝數比。初級電感量測分別為13.7μH之間，

30、6.3和3.8μH之間分別為8個大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。有人可能會認為，主要是立場獨立的電感線圈的磁場內的道路，但對于非理想電感，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，以提高電壓比：（a）生成一個氣隙磁場強度最大跨越，增加K值，如圖5（b），（b）降低初級電感，相當于減少變壓器輪流在一個理想的數字主線圈。</p><p>

31、　　下一步采取的最大磁耦合是探討依賴初級線圈耦合系數數目在轉。圖6給出了實驗結果，從而為這個副線圈有2mm的空氣間隙和10。可以看出，耦合系數的主線圈5又是明顯比原來少多初選后認為，和系數-在耦合小的差異8 10 - 20轉初選很可能是由于缺乏在創(chuàng)造手傷一次線圈的精度。轉線圈，只有極少數有降低轉數，因為耦合系數低，產生的磁通量是不能有效地約束范圍內的核心，和漏磁更為嚴重。</p><p>　　上述測量均進行了2m

32、m的空隙，而且是有益的行為研究的空白耦合系數在不同的空氣。圖7（a）和（b）表明系數與耦合變壓器10 -轉折，2至5mm20初選與轉空氣縫隙。正如預料的那樣，把初選耦合系數下降，空氣間隔之交和20擴大。10 –耦合系數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</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 的關系，這是特點決定了變壓器;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地位，以及強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，功能變頻器電壓的比例，采用Micro-Cap 6? 9模擬結果如圖9。研究在圖9中看到的放大。結果從圖9電感和漏一串聯諧振內二次寄生電容。</p><p>　　圖9 模擬（a）8匝和（b）10匝主線圈變壓器開路時V2/V1與頻率的函數關系圖</p><p>　　上述討論確定，為最大限度地提高磁耦合，初級應分別在空氣中

35、的差距，有一個回合下限線圈數為駕駛;由于寄生電容和電感固有的綜合內變壓器，經營變壓器頻率建議應不超過該項目的目標以來幾兆赫。是建立一個芯片上可容納的供電計劃MEMS器件特殊的電源要求，是有關以展示我們的原型多功能變壓器。對于差距變壓器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，微機電系統(tǒng)的運作等如上述討論確定，為最大限度地提高磁耦合

36、器，主要應分別穿過空氣間隙和有會話話輪轉換低限線圈數的驅動; 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不超過該項目的目標以來幾兆赫。是建立一個芯片上可容納的供電計劃滿足微機電系統(tǒng)器件特殊的電源要求，它是有關證明了我們的原型變壓器的多功能性。對于差距變壓器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的適當的微機電系統(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可拆卸的芯片上，提出了采取行動的輔助電源作為一個無線MEMS器件，以及業(yè)務變壓器。實驗和模擬已進行了綜合表征線圈，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0.8已取得的為2mm的空隙，并通過模擬測試已被證實。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。對于時間，所有的測量結果進行抵抗高，薄膜二次線圈，但已顯示出變壓器高壓和高功率能力。由于采用的更先進的制程，如深反應離子蝕刻和電鍍，預計該變壓器的性能可以進一步改善，內阻大幅度下降，以及可能的達成背端放置，以保護芯片系統(tǒng)。</p><p><b>　　參考文獻（見原文）</b></p><p>　　附件2：外文原文（復印件）</p>