東京工業大學設計了用來擴大環境振動發電元件頻寬的低閾值整流升壓電路，並利用MEMS和積體電路開發了系統，成功實施了元件的大頻寬化。利用這項成果有助於擴大環境振動發電元件的應用環境，同時還有望提高用於無線IoT感測器終端機等的能量採集（環境發電）技術的性能。
本研究爲擴大振動發電元件的使用頻寬，設計了在環境振動頻率下也能工作的低閾值整流升壓電路，並提出了利用該電路開發機電系統的方案。另外，還利用MEMS和積體電路技術開發了系統驗證了大頻寬化。以前那些擴大頻寬的方法需要採用特殊的機械結構及調節電路，因此元件尺寸會增大，而且各元件需要採用專用電路。
研究成果
此次，研究小組爲擴大所有環境振動發電元件的頻寬，設計了在環境振動頻率下也可以工作的低閾值整流升壓電路（VBR：Voltage-Boost Rectifier），並提出了利用該電路開發新機電系統的方案。圖1爲系統概要。
利用環境振動發電元件透過微弱的環境振動能量生成電能時，如果輸入振動頻率偏差環境振動發電元件的共振頻率，輸出會急劇下降。因此，以往的整流技術（圖1中表記爲二極體整流）僅在非常窄的頻寬下提取電力。
圖1：採用低閾值整流升壓電路的大頻寬環境振動發電系統的概要
此次的研究新開發了可在環境振動頻率下（主要爲1000Hz以下）工作的低閾值整流升壓電路，並提出了將該電路連接到環境振動發電元件後段的新系統。圖1中的低閾值整流升壓電路的最低輸入電壓比以往的整流元件低，而且可以將輸入電壓提高到期望的水平。
這樣一來，就可以將原來無法回收能量的頻帶中的振動能量轉換成電能。另外，新提出的系統無論環境振動發電元件的機械結構如何都可以應用，因此具有很高的通用的性。
在此次的驗證實驗中，如圖2所示，利用MEMS和積體電路技術開發了實際系統。環境振動發電元件採用永電體式MEMS振動發電元件，低閾值整流升壓電路利用硅CMOS工藝製作。
圖2：實際系統及其測量結果
輸入加速度振幅爲1mG的測量結果。G爲重力加速度。
利用振動試驗器測量發電元件振動時的系統輸出電壓發現，與以往的二極體整流相比，頻寬順利擴大。輸出電壓爲1.0V～3.3V時，與以往的技術相比，成功將頻寬擴大了約3倍。
（日文新聞發佈全文）
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
