專(zhuān)利名稱(chēng)：一種mems復(fù)合微能源系統(tǒng)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS微能源領(lǐng)域，具體涉及一種MEMS復(fù)合微能源系統(tǒng)電源。
背景技術(shù)：
性能優(yōu)越體積小是MEMS微能源最大的特點(diǎn)，如果單獨(dú)對(duì)一種MEMS微能源進(jìn)行電 源管理，無(wú)法做到優(yōu)點(diǎn)的最大發(fā)揮和缺點(diǎn)的最大限制，若將多種MEMS微能源復(fù)合成為一個(gè) 整體系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行有效地電源管理，將會(huì)起到彼此優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)的效果。MEMS微型燃料電 池、MEMS微型太陽(yáng)能電池、MEMS微型超級(jí)電容器單元、MEMS微型同位素電池、MEMS微型發(fā) 電機(jī)、MEMS微型熱電池等，作為微型便攜式能源，都有其內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)。MEMS微型燃料電池有 較高的比能量和能量轉(zhuǎn)化效率是其最大的優(yōu)點(diǎn)；MEMS微型太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染是 人們感興趣的主要原因；MEMS微型超級(jí)電容器單元壽命長(zhǎng)、可提供瞬時(shí)大電流得到人們的 親睞，其它類(lèi)型的MEMS微能源也都具有自身的優(yōu)點(diǎn)。但是，每一種類(lèi)型的微型能源也同時(shí) 存在著不可而避免的缺點(diǎn)，如果將不同類(lèi)型的MEMS微能源聯(lián)合起來(lái)相互協(xié)調(diào)為外界提供 電源，既能相互彌補(bǔ)彼此的缺點(diǎn)也能進(jìn)一步優(yōu)化彼此的優(yōu)點(diǎn)，做到資源的最佳配置，構(gòu)成一 個(gè)超低功耗、小體積、高可靠性的電源模塊。此電源模塊能量密度高可以在惡劣的環(huán)境中正 常使用，非常適用于便攜式電子產(chǎn)品、單兵電臺(tái)夜視儀、微型傳感器、微型執(zhí)行器等小型電 子設(shè)備，是目前最有可能取代傳統(tǒng)能源的新能源之一。該設(shè)計(jì)作為便攜式能源的復(fù)合微能 源系統(tǒng)，并不是將不同類(lèi)型的MEMS微能源簡(jiǎn)單的串并聯(lián)，目前對(duì)復(fù)合微能源系統(tǒng)的研究主 要存在以下問(wèn)題(1)不同類(lèi)型的MEMS微能源的工作特點(diǎn)和輸出特性具有很大差異，因此復(fù)合之前 需要專(zhuān)用電路對(duì)其調(diào)整。(2)MEMS微型燃料電池在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，不僅影響微型燃料電池本 身的工作性能，而且對(duì)整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)造成不必要的影響。(3)MEMS微能源由于有效工作體積微小，輸出功率相對(duì)于普通電源要小，因此電源 管理電路必須要求超低功耗。(4)傳統(tǒng)的便攜式電源模塊輸出固定，不利于同一電源模塊的多重復(fù)用，因此需要 設(shè)計(jì)低功耗的電路實(shí)現(xiàn)多路標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出。(5)傳統(tǒng)的電源模塊會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，而且沒(méi)有循環(huán)利用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供利一種采用超低功耗微處理器、超低功耗可編程多功能電源 管理芯片、超低功耗溫度傳感器以及其他相關(guān)器件，對(duì)兩種以上不同類(lèi)型的MEMS微能源進(jìn) 行有效的電源管理，電源模塊內(nèi)部采用溫度傳感器實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)，整體提高了 MEMS微能源 的工作性能和穩(wěn)定性，具有可循環(huán)利用性的一種復(fù)合微能源系統(tǒng)電源。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的包括MEMS微型直接甲醇燃料電池、MEMS微型太陽(yáng) 能電池、MEMS微型超級(jí)電容器單元、超低功耗溫度傳感器LM75B、8位AVR系列微處理器ATmegal68p,電源管理芯片MAX1586B和外殼，外殼為長(zhǎng)方體形狀，MEMS微型直接甲醇燃料 電池和MEMS微型超級(jí)電容器單元安裝在外殼內(nèi)部，MEMS微型直接甲醇燃料電池安裝在靠 近外殼右面?zhèn)缺?，超低功耗溫度傳感器LM75B緊貼在MEMS微型直接甲醇燃料電池上；外殼 的右面?zhèn)缺谏显O(shè)置有散熱窗，外殼上方設(shè)置有過(guò)液/缺液LED指示燈和注液口，注液口與 MEMS微型直接甲醇燃料電池連接，外殼的正面設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)輸出調(diào)節(jié)器，外殼的左面?zhèn)缺谏?設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)輸出接口，MEMS微型太陽(yáng)能電池安裝在MEMS微型超級(jí)電容器單元上方的外殼 上，MEMS微型直接甲醇燃料電池與電源管理芯片MAX1586B的主電源管腳連接，MEMS微型 太陽(yáng)能電池與電源管理芯片MAX1586B的備用電源管腳連接，MEMS微型直接甲醇燃料電池 和MEMS微型超級(jí)電容器單元并聯(lián)連接，電源管理芯片MAX1586B與標(biāo)準(zhǔn)輸出調(diào)節(jié)器連接， 標(biāo)準(zhǔn)輸出調(diào)節(jié)器與標(biāo)準(zhǔn)輸出接口連接，電源管理芯片MAX1586B與8位AVR系列微處理器 ATmegal68p連接，8位AVR系列微處理器ATmega168p分別與過(guò)液/缺液LED指示燈、超低 功耗溫度傳感器LM75B連接，8位AVR系列微處理器ATmega168p和電源管理芯片MAX1586B 焊接在電路板上。本發(fā)明另外還具有如下特點(diǎn)1、所述的MEMS微型燃料電池主要負(fù)責(zé)為外界負(fù)載供電，以及光照強(qiáng)度不足的情 況下為系統(tǒng)自身以及外界負(fù)載供電；電源輸出選擇常開(kāi)輸出電源作為系統(tǒng)自身供電電源， 選擇出廠預(yù)設(shè)的3. 3V、2. 5V作為輸出和0. 75V-1. 4V范圍0. 025V為分辨率的可編程動(dòng)態(tài)電 壓輸出。2、所述的超低功耗溫度傳感器為L(zhǎng)M75B，超低功耗溫度傳感器LM75B還連接有LED 溫度指示燈。3、所述的電源管理芯片MAX1586B通過(guò)I2C總線與8位AVR系列微處理器 ATmegal68p進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。4、所述的MEMS微型直接甲醇燃料電池作為主要供電電源，MEMS微型太陽(yáng)能電池 作為輔助電源。5、所述的MEMS微型超級(jí)電容器單元包括2個(gè)MEMS微型超級(jí)電容器和平衡保護(hù)電 路，2個(gè)MEMS微型超級(jí)電容器串聯(lián)連接，平衡保護(hù)電路與串聯(lián)后的2個(gè)MEMS微型超級(jí)電容 器并聯(lián)連接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)將兩種或者更多不同類(lèi)型的MEMS微能源復(fù)合到一個(gè)電源模塊中，根據(jù)各自特 點(diǎn)設(shè)計(jì)不同環(huán)境下的工作方式。(2)電源模塊內(nèi)部采用溫度傳感器實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)，整體提高了 MEMS微能源的工作 性能和穩(wěn)定性；(3)改變了傳統(tǒng)便攜式電源單一輸出現(xiàn)狀，提供多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出；(4)輕巧便攜，使用壽命長(zhǎng)；(5)占用空間小，系統(tǒng)自身功耗低；(6)綠色環(huán)保，可重復(fù)利用。


圖1為MEMS復(fù)合微能源系統(tǒng)電源外殼示意圖2為MEMS復(fù)合微能源系統(tǒng)電源內(nèi)部各器件布局俯視圖；圖3為MEMS復(fù)合微能源系統(tǒng)電源內(nèi)部各器件布局側(cè)視4防塵式散熱窗示意圖；圖5電源管理芯片與微處理器連接圖；圖6為MEMS復(fù)合微能源系統(tǒng)電源原理框圖；其中1、MEMS微型太陽(yáng)能電池，2、標(biāo)準(zhǔn)輸出接口，3、外殼，4、標(biāo)準(zhǔn)輸出調(diào)節(jié)器，5、過(guò) 液/缺液LED指示燈，6、注液口，7、散熱窗，8、MEMS微型直接甲醇燃料電池，9、MEMS微型超 級(jí)電容器單元，10、超低功耗溫度傳感器LM75B，11、電路板，12、平衡電路單元，13、MEMS微 型直接甲醇燃料電池，14、MEMS微型超級(jí)電容器單元，15、LED溫度指示燈，16、超低功耗溫 度傳感器LM75B，17、MEMS微型太陽(yáng)能電池，18、電源管理芯片MAX1586B，19、8位AVR系列微 處理器ATmega 168p，20、標(biāo)準(zhǔn)輸出調(diào)節(jié)器，21、標(biāo)準(zhǔn)輸出接口，22、過(guò)液/缺液LED指示燈， 23、LED溫度指示燈。
具體實(shí)施例方式根據(jù)附圖進(jìn)一步說(shuō)明包括MEMS微型直接甲醇燃料電池、MEMS微型太陽(yáng)能電池、MEMS微型超級(jí)電容 器單元、超低功耗溫度傳感器LM75B、8位AVR系列微處理器ATmega168p、電源管理芯片 MAX1586B和外殼，外殼為長(zhǎng)方體形狀，MEMS微型直接甲醇燃料電池和MEMS微型超級(jí)電容 器單元安裝在外殼內(nèi)部，MEMS微型直接甲醇燃料電池安裝在靠近外殼右面?zhèn)缺冢凸?溫度傳感器LM75B緊貼在MEMS微型直接甲醇燃料電池上；外殼的右面?zhèn)缺谏显O(shè)置有散熱 窗，外殼上方設(shè)置有過(guò)液/缺液LED指示燈和注液口，注液口與MEMS微型直接甲醇燃料電 池連接，外殼的正面設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)輸出調(diào)節(jié)器，外殼的左面?zhèn)缺谏显O(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)輸出接口，MEMS 微型太陽(yáng)能電池安裝在MEMS微型超級(jí)電容器單元上方的外殼上，MEMS微型直接甲醇燃料 電池與電源管理芯片MAX1586B的主電源管腳連接，MEMS微型太陽(yáng)能電池與電源管理芯片 MAX1586B的備用電源管腳連接，MEMS微型直接甲醇燃料電池和MEMS微型超級(jí)電容器單元 并聯(lián)連接，電源管理芯片MAX1586B與標(biāo)準(zhǔn)輸出調(diào)節(jié)器連接，標(biāo)準(zhǔn)輸出調(diào)節(jié)器與標(biāo)準(zhǔn)輸出接 口連接，電源管理芯片MAX1586B與8位AVR系列微處理器ATmegal68p連接，8位AVR系列 微處理器ATmegaieSp分別與過(guò)液/缺液LED指示燈、超低功耗溫度傳感器LM75B連接。所 述的MEMS微型燃料電池主要負(fù)責(zé)為外界負(fù)載供電，以及光照強(qiáng)度不足的情況下為系統(tǒng)自 身以及外界負(fù)載供電；電源輸出選擇常開(kāi)輸出電源作為系統(tǒng)自身供電電源，選擇出廠預(yù)設(shè) 的3. 3V、2. 5V作為輸出和0. 75V-1. 4V范圍0. 025V為分辨率的可編程動(dòng)態(tài)電壓輸出。所述 的超低功耗溫度傳感器為L(zhǎng)M75B，超低功耗溫度傳感器LM75B還連接有LED溫度指示燈。所 述的電源管理芯片MAX1586B通過(guò)I2C總線與8位AVR系列微處理器ATmega168p進(jìn)行數(shù)據(jù) 通信。所述的MEMS微型直接甲醇燃料電池作為主要供電電源，MEMS微型太陽(yáng)能電池作為 輔助電源。所述的MEMS微型超級(jí)電容器單元包括2個(gè)MEMS微型超級(jí)電容器和平衡保護(hù)電 路，2個(gè)MEMS微型超級(jí)電容器串聯(lián)連接，平衡保護(hù)電路與串聯(lián)后的2個(gè)MEMS微型超級(jí)電容 器并聯(lián)連接。當(dāng)外界光照強(qiáng)度相對(duì)充足且能使MEMS微型太陽(yáng)能電池產(chǎn)生滿足系統(tǒng)自身，包括 給MEMS超級(jí)電容器充電，及外部負(fù)載的電壓要求時(shí)，則此系統(tǒng)輸出及系統(tǒng)自身供電全部由MEMS微型太陽(yáng)能電池提供，此時(shí)MEMS微型燃料電池通路處于關(guān)閉狀態(tài)。隨著外界光照強(qiáng)度 慢慢減弱，MEMS微型太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電量逐漸減少，或者由于外部負(fù)載的增大致使電壓 下降，當(dāng)降低到某一設(shè)定值時(shí)，超低功耗可編程多功能電源管理芯片和超低功耗微處理器 通信，接通MEMS微型燃料電池作為供電電源，此時(shí)系統(tǒng)輸出及系統(tǒng)自身供電全部由MEMS微 型燃料電池提供。當(dāng)外界光照強(qiáng)度再次滿足要求時(shí)，供電電源由MEMS微型燃料電池轉(zhuǎn)換為 MEMS微型太陽(yáng)能電池，依次循環(huán)。當(dāng)兩者都不能滿足要求時(shí)，缺液指示燈點(diǎn)亮，提示查找相 關(guān)原因。MEMS微型燃料電池在工作過(guò)程中，電池內(nèi)部由于電解質(zhì)反應(yīng)會(huì)引起溫度升高，電 池的性能逐漸提高，當(dāng)溫度達(dá)到60°C電池的性能最佳，溫度繼續(xù)升高性能開(kāi)始下降。靠近 MEMS微型燃料電池放置高靈敏度超低功耗溫度傳感器LM75B，溫度高于設(shè)定值時(shí)超低功耗 溫度傳感器的LED溫度指示燈點(diǎn)亮。MEMS微型超級(jí)電容可在額定電壓下任意并聯(lián)使用，但若需要串聯(lián)才能滿足要求， 必須考慮其均壓?jiǎn)栴}。另外，微型超級(jí)電容是有極性器件，在使用時(shí)必須注意其正負(fù)極的連 接。為了避免在使用過(guò)程中因?yàn)椴僮魇д`而造成器件損壞，必須設(shè)計(jì)外部平衡保護(hù)電路協(xié) 助MEMS微型超級(jí)電容器單元共同工作。電源管理芯片MAX1586B具有2路電源輸入、7路電源輸出以及過(guò)壓保護(hù)功能，包 括主電源和備用電源輸入、3路DC/DC電源輸出、3路線性穩(wěn)壓電源輸出和一路常開(kāi)電源輸 出，其中有包括兩路可編程電壓輸出。為了降低靜態(tài)電流，電源管理芯片MAX1586B主要電 源都具有旁路“休眠”LD0，在輸出電流非常小的時(shí)候啟動(dòng)。此外，此模塊還能夠?qū)⒏鱾€(gè)電源 進(jìn)行獨(dú)立的開(kāi)/關(guān)轉(zhuǎn)制、低電池電壓和低電池失效檢測(cè)、復(fù)位和電源就緒輸出、備份電池輸 入。根據(jù)實(shí)際需求，將MAX1586B的電源輸出進(jìn)行選擇保留，并根據(jù)所保留的電源輸出，合理 的設(shè)計(jì)外圍電路，盡量去掉不必要的器件，最大限度的降低功率損耗，提高工作性能，充分 利用自身的保護(hù)功能，避免遭受外部過(guò)高電壓的沖擊而造成器件損壞。總之，MEMS微型太陽(yáng)能電池能滿足供電要求時(shí)，超低功耗微處理器選擇其處于工 作狀態(tài)，同時(shí)為外部負(fù)載和自身系統(tǒng)供電。當(dāng)其不能滿足要求時(shí)，超低功耗微處理器選擇 MEMS微型燃料電池供電。也可以根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象選擇相應(yīng)的電壓輸出。當(dāng)電源模塊外 部誤接入大電源時(shí)，電源管理芯片MAX1586B的保護(hù)模塊工作，切斷輸出電路。這樣以來(lái)，就 可以保證該復(fù)合微能源系統(tǒng)單周期工作時(shí)間達(dá)到最大值。(1)按照?qǐng)D1的器件布局，可以達(dá)到有限空間上多層次利用，使此電源模塊的體積 達(dá)到最小。(2)將MEMS微型超級(jí)電容器單元放置于MEMS微型燃料電池和電源管理電路之間， 可有效地降低溫度對(duì)電源管理電路性能的影響。(3)針對(duì)MEMS微型燃料電池等發(fā)熱微能源，采用防塵式設(shè)計(jì)散熱窗，及時(shí)散發(fā)熱 量并防止灰塵的進(jìn)入模塊內(nèi)部。用微細(xì)精密加工技術(shù)制作復(fù)合微能源系統(tǒng)電源模塊的多功能外殼設(shè)計(jì)方案，電源 模塊散熱窗的設(shè)計(jì)方案，電源模塊內(nèi)部各器件的布局方式以及電源管理電路設(shè)計(jì)方案。
權(quán)利要求
一種MEMS復(fù)合微能源系統(tǒng)電源，其特征在于包括MEMS微型直接甲醇燃料電池、MEMS微型太陽(yáng)能電池、MEMS微型超級(jí)電容器單元、超低功耗溫度傳感器LM75B、8位AVR系列微處理器ATmega168p、電源管理芯片MAX1586B和外殼，外殼為長(zhǎng)方體形狀，MEMS微型直接甲醇燃料電池和MEMS微型超級(jí)電容器單元安裝在外殼內(nèi)部，MEMS微型直接甲醇燃料電池安裝在靠近外殼右面?zhèn)缺?，超低功耗溫度傳感器LM75B緊貼在MEMS微型直接甲醇燃料電池上；外殼的右面?zhèn)缺谏显O(shè)置有散熱窗，外殼上方設(shè)置有過(guò)液/缺液LED指示燈和注液口，注液口與MEMS微型直接甲醇燃料電池連接，外殼的正面設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)輸出調(diào)節(jié)器，外殼的左面?zhèn)缺谏显O(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)輸出接口，MEMS微型太陽(yáng)能電池安裝在MEMS微型超級(jí)電容器單元上方的外殼上，MEMS微型直接甲醇燃料電池與電源管理芯片MAX1586B的主電源管腳連接，MEMS微型太陽(yáng)能電池與電源管理芯片MAX1586B的備用電源管腳連接，MEMS微型直接甲醇燃料電池和MEMS微型超級(jí)電容器單元并聯(lián)連接，電源管理芯片MAX1586B與標(biāo)準(zhǔn)輸出調(diào)節(jié)器連接，標(biāo)準(zhǔn)輸出調(diào)節(jié)器與標(biāo)準(zhǔn)輸出接口連接，電源管理芯片MAX1586B與8位AVR系列微處理器ATmega168p連接，8位AVR系列微處理器ATmega168p分別與過(guò)液/缺液LED指示燈、超低功耗溫度傳感器LM75B連接，8位AVR系列微處理器ATmega168p和電源管理芯片MAX1586B焊接在電路板上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種MEMS復(fù)合微能源系統(tǒng)電源，其特征在于，所述的MEMS微 型直接甲醇燃料電池主要負(fù)責(zé)為外界負(fù)載供電，以及光照強(qiáng)度不足的情況下為系統(tǒng)自身 以及外界負(fù)載供電；電源輸出選擇常開(kāi)輸出電源作為系統(tǒng)自身供電電源，選擇出廠預(yù)設(shè)的 3. 3V、2. 5V作為輸出和0. 75V-1. 4V范圍0. 025V為分辨率的可編程動(dòng)態(tài)電壓輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的一種MEMS復(fù)合微能源系統(tǒng)電源，其特征在于，所述的超低功耗 溫度傳感器LM75B還連接有LED溫度指示燈。
4.如權(quán)利要求1所述的一種MEMS復(fù)合微能源系統(tǒng)電源，其特征在于，所述的電源管理 芯片MAX1586B通過(guò)I2C總線與8位AVR系列微處理器ATmega168p進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
5.如權(quán)利要求1所述的一種MEMS復(fù)合微能源系統(tǒng)電源，其特征在于，所述的MEMS微型 直接甲醇燃料電池作為主要供電電源，MEMS微型太陽(yáng)能電池作為輔助電源。
6.如權(quán)利要求1所述的一種MEMS復(fù)合微能源系統(tǒng)電源，其特征在于，所述的MEMS微型 超級(jí)電容器單元包括2個(gè)MEMS微型超級(jí)電容器和平衡保護(hù)電路，2個(gè)MEMS微型超級(jí)電容器 串聯(lián)連接，平衡保護(hù)電路與串聯(lián)后的2個(gè)MEMS微型超級(jí)電容器并聯(lián)連接。
全文摘要
一種MEMS復(fù)合微能源系統(tǒng)電源包括MEMS微型直接甲醇燃料電池、MEMS微型太陽(yáng)能電池、MEMS微型超級(jí)電容器單元、超低功耗溫度傳感器LM75B、微處理器ATmega168p、電源管理芯片MAX1586B和外殼，超低功耗溫度傳感器LM75B緊貼在MEMS微型直接甲醇燃料電池上；MEMS微型直接甲醇燃料電池與電源管理芯片MAX1586B的主電源管腳連接，MEMS微型太陽(yáng)能電池與電源管理芯片MAX1586B的備用電源管腳連接，MEMS微型直接甲醇燃料電池和MEMS微型超級(jí)電容器單元并聯(lián)連接，電源管理芯片MAX1586B與8位AVR系列微處理器ATmega168p連接。本發(fā)明將多種不同類(lèi)型的MEMS微能源復(fù)合到一個(gè)電源模塊中，整體提高了MEMS微能源的工作性能和穩(wěn)定性；提供多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出；具有輕巧便攜，使用壽命長(zhǎng)占用空間小，系統(tǒng)自身功耗低；綠色環(huán)保，可重復(fù)利用的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M10/42GK101894988SQ20101022803
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者劉曉為, 張宇峰, 李玉玲, 王浩馳, 鄒善亮 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)