隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場的蓬勃發(fā)展，設備的供能及續(xù)航正在成為新的挑戰(zhàn)，低功耗技術需求越來越多。例如智能手環(huán)/手表作為物聯(lián)網(wǎng)市場中的火爆可穿戴產(chǎn)品，其中集成的各種傳感器結(jié)合精確的算法能夠?qū)崿F(xiàn)人體運動及健康監(jiān)測，然而功耗問題一直制約著智能手環(huán)/手表的發(fā)展，因此不僅需要低功耗藍牙（BLE）通信技術，還亟需改進供能方式并實現(xiàn)智能電源管理功能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，上海邁鑄半導體科技有限公司（中文簡稱：邁鑄半導體；英文簡稱：MCT）推出一種基于MEMS線圈的指尖陀螺發(fā)電機（超薄發(fā)電機）解決方案，其中的MEMS線圈采用邁鑄半導體獨有的MEMS-Casting?（微機電鑄造）技術制作而成。

這種創(chuàng)新的超薄發(fā)電機解決方案由數(shù)個MEMS線圈集成PCB板組成，總厚度可以薄至毫米（mm）級別。結(jié)合磁環(huán)組，該超薄發(fā)電機解決方案可以通過手指撥動輸出高達百毫瓦（mW）級的功率輸出，該功率已能滿足許多低功耗場景應用需求。

傳統(tǒng)發(fā)電機的制作過程需要在電工硅鋼片骨架上繞制漆包線，如圖1所示。而邁鑄半導體推出的基于MEMS線圈的超薄發(fā)電機拋棄了傳統(tǒng)發(fā)電機的制作方法，將發(fā)電機的線圈與控制電路集成到一塊PCB板上，從而可以在電子產(chǎn)品中實現(xiàn)機電系統(tǒng)的進一步集成與融合，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)發(fā)電機的定子/轉(zhuǎn)子需要繞制漆包線

圖2 邁鑄半導體展示的基于MEMS線圈的超薄發(fā)電機，其中MEMS線圈在PCB板上呈放射狀排布，結(jié)合磁環(huán)組形成完整的發(fā)電機結(jié)構

目前，基于MEMS線圈的超薄發(fā)電機解決方案主要用于低功耗設備供電，通過手指轉(zhuǎn)動可以實現(xiàn)高達近100 mW的發(fā)電功率。具體的發(fā)電功率與轉(zhuǎn)速有關，理論上發(fā)電功率與轉(zhuǎn)速的平方成正比。此次，邁鑄半導體推出的超薄發(fā)電機解決方案包括單相和三相兩種結(jié)構形式，其中單相發(fā)電機方案采用了24顆MEMS線圈，而三相發(fā)電機方案采用了21顆MEMS線圈。標準的超薄發(fā)電機如圖3所示，外徑為46 mm，厚度約為5 mm（可以薄至3 mm）。

此外，邁鑄半導體還可根據(jù)客戶的需求配置不同數(shù)量的MEMS線圈以實現(xiàn)超薄發(fā)電機的定制化。

圖3  單相發(fā)電機方案和三相發(fā)電機方案

當用手指撥動基于MEMS線圈的超薄發(fā)電機時，可以感受到單相發(fā)電機反饋給手指有更強的顆粒感，并且有振動效果；而三相發(fā)電機的反饋效果則更平滑，有類似于旋轉(zhuǎn)指尖陀螺的感覺。

受益于較薄的厚度，這種基于MEMS線圈的發(fā)電機可應用于多種低功耗便攜式/可穿戴設備，例如智能手環(huán)/手表、無電池遙控器等。邁鑄半導體也展示了一些新的應用潛力，例如超薄發(fā)電機與電子墨水屏結(jié)合而成的智能手機外殼。該手機殼無需充電，通過手指轉(zhuǎn)動發(fā)電機既可實現(xiàn)在手機殼的電子墨水屏上顯示不同的圖案或者文字，徹底解決充電問題（目前還不能給手機充電）。

圖4 超薄發(fā)電機與電子墨水屏結(jié)合而成的智能手機外殼

基于MEMS線圈的超薄發(fā)電機結(jié)合匹配的電路可以實現(xiàn)免電池、電池延長及應急供電等應用方案。圖5展示了基于單相發(fā)電機的免電池方案的電路原理圖。單相發(fā)電機發(fā)電后經(jīng)倍壓整流對電容充電，然后電容的電壓上升并使得電壓檢測芯片啟動工作，并且通過升壓電路提高電壓后穩(wěn)定輸出電能，其中MOS管可以保證電容電壓下降后還可以持續(xù)給升壓電路供電。圖6展示了基于三相發(fā)電機的電池延長方案的電路原理圖。上述匹配的電路可以與發(fā)電機的MEMS線圈一起集成到PCB板上，從而可以大大地減少電路的空間占比。

發(fā)電機型號：MGS-24-4605

圖5 基于單相發(fā)電機的免電池方案的電路原理圖，該方案可取代電池以解決設備更換電池的煩惱

發(fā)電機型號：MGT-21-4605

圖6 基于三相發(fā)電機的電池延長方案的電路原理圖，該方案可作為電池的補充以延長設備的續(xù)航時間

MEMS線圈作為邁鑄半導體基于獨有的MEMS-Casting?技術制造的芯片式線圈，開創(chuàng)了一種全新的線圈品類。邁鑄半導體此次推出的超薄發(fā)電機是基于MEMS線圈的一種創(chuàng)新式的擴展應用解決方案。麥姆斯咨詢從邁鑄半導體獲悉，該公司后續(xù)還將推出更多基于MEMS線圈的應用解決方案，希望為各行各業(yè)的創(chuàng)新應用提供一些新的思路并實現(xiàn)量產(chǎn)落地。

如果您對基于MEMS線圈的超薄發(fā)電機解決方案感興趣，可以和邁鑄半導體聯(lián)系并申請樣品進行測試工作，期待與各位志同道合之士攜手合作。

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上海邁鑄半導體成立于2018年，是中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所孵化企業(yè)。2021年獲高新技術企業(yè)稱號。公司致力于晶圓級微機電鑄造（MEMS-Casting）技術的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，此技術是本公司研發(fā)的一項獨創(chuàng)性技術，該技術可通過微納原理將宏觀的鑄造縮小一百萬倍，從而可以在晶圓上實現(xiàn)鑄造。可廣泛應用于半導體先進封裝、MEMS器件以及三維集成射頻器件等領域。