本發(fā)明所公開的技術(shù)整體涉及能量收集裝置和傳感器及其制造和使用方法。

背景技術(shù)：

振動能量收集是捕獲來自外部振動源(例如車輛、機(jī)器、建筑物和人體運(yùn)動)的振動能量的實踐。然后，所捕獲的能量可用于各種應(yīng)用。在某些振動能量收集方法中，一個板固定在一端，當(dāng)它被激發(fā)時，將在兩個末端之間上下振動。通過在兩個末端之間彎曲和振蕩，在板表面上形成的應(yīng)變/應(yīng)力可用于產(chǎn)生能量。即使在機(jī)械安靜的環(huán)境中，原子尺度的振動也普遍存在。這是由于材料保持在絕對零度以上的某個溫度，這種振動被稱為熱振動。正是關(guān)于這些及其他考慮事項，介紹了下面描述的各種實施例。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明所公開的裝置和方法的目的，如本文所體現(xiàn)和廣泛描述的，本發(fā)明所公開的主題涉及能量收集裝置和傳感器及其制造和使用方法。

能量收集裝置和傳感器可包括膜，該膜包含設(shè)置在基板上的二維(2d)材料，其中膜包含一個或多個波紋。二維材料可例如包括石墨烯、mos2、mose2、ws2、wse2、res2、rese2或其組合。在某些實例中，二維材料可包括石墨烯。膜可例如具有0.3納米(nm)至3.0nm的平均厚度。膜可例如具有0.1微米至100微米的平均橫向尺寸。在一些實例中，膜可具有0.0n/m至10.0n/m的單位長度張力。所述一個或多個波紋可例如具有1nm至100nm的平均長度。在一些實例中，所述一個或多個波紋可具有0.1nm至2.0nm的平均高度。

基板可例如包含銅、硅、藍(lán)寶石或其組合。在一些實例中，基板可包含網(wǎng)格，該網(wǎng)格包含一個或多個開孔。

能量收集裝置進(jìn)一步包括以電、磁和/或機(jī)械的方式耦接至膜和/或基板的部件，使得該部件構(gòu)造為用于收集來自膜的能量。

在一些實例中，基板導(dǎo)熱并且膜與基板熱接觸，其中基板的熱能被轉(zhuǎn)換為膜的振動，使得膜具有振動能量，并且部件構(gòu)造為用于將膜的振動能量轉(zhuǎn)換為電能、磁能和/或機(jī)械能，從而收集來自膜的能量。在一些實例中，熱能可包括環(huán)境熱能。在一些實例中，膜可具有振動能量，并且部件構(gòu)造為用于將膜的振動能量轉(zhuǎn)換為電能、磁能和/或機(jī)械能，從而收集來自膜的能量。在一些實例中，振動能量包括環(huán)境振動能量。振動能量可例如包括具有0.1毫赫(mhz)至10千兆赫(ghz)的頻率的振動。

在一些實例中，能量收集裝置可構(gòu)造為使得所述一個或多個波紋中的每個可產(chǎn)生1皮瓦(pw)至100pw的功率。在一些實例中，能量收集裝置可具有1w/m²至100,000w/m²的功率密度。

在一些實例中，膜可具有電荷，并且部件包括設(shè)置在膜的周圍并且電耦接至膜的電容器，其中電容器構(gòu)造為用于將荷電膜的振動能量轉(zhuǎn)換為交流電流，從而收集來自膜的能量。在一些實例中，裝置可進(jìn)一步包括二極管橋式電路以將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流。裝置可例如進(jìn)一步包括電耦接至二極管橋的電容器，使得直流可對電容器充電，從而存儲由荷電膜的振動能量產(chǎn)生的電荷。

在一些實例中，膜可進(jìn)一步包括多個磁性粒子。所述多個磁性粒子可例如包含鐵、鈷、鈮、錳、鎳或其組合。在一些實例中，所述多個磁性粒子可包含氧化鐵、氧化鈷或其組合。所述多個磁性粒子可例如具有0.5nm至10nm的平均粒徑。在一些實例中，部件可包括磁耦接至膜的電極回路，其中裝置構(gòu)造為用于將膜的振動能量轉(zhuǎn)換為時變磁場，該時變磁場在電極回路中感應(yīng)出電流，從而將膜的振動能量轉(zhuǎn)換為電流，并且收集來自膜的能量。裝置可例如進(jìn)一步包括電耦接至電極回路的電容器，使得該裝置收集的能量能夠存儲在電容器中。

在一些實例中，部件可包括壓電懸臂，并且膜具有機(jī)械耦接至壓電懸臂的邊緣，其中壓電懸臂構(gòu)造為用于將膜的振動能量轉(zhuǎn)換為電能，從而收集來自膜的能量。裝置可例如進(jìn)一步包括電耦接至壓電懸臂的電容器，使得該裝置收集的能量能夠存儲在電容器中。

在一些實例中，膜可為壓電膜，并且部件包括以機(jī)械和電的方式耦接至膜的電壓讀出器件，其中壓電膜構(gòu)造為用于將振動能量轉(zhuǎn)換為電能，該電能可由電壓讀出器件收集。裝置可例如進(jìn)一步包括電耦接至電壓讀出器件的電容器，使得該裝置收集的能量能夠存儲在電容器中。

在一些實例中，部件可包括機(jī)械耦接至膜和/或基板的箱形泵，其中箱形泵包括第一單向流體流量閥和第二單向流體流量閥，并且其中箱形泵構(gòu)造為用于將膜的振動能量轉(zhuǎn)換為經(jīng)由第一單向流體流量閥和/或第二單向流體流量閥流過箱形泵的流體流，從而將膜的振動能量轉(zhuǎn)換為流體流，并且收集來自膜的能量。

在一些實例中，膜可進(jìn)一步包括橫穿膜的通道。部件可例如包括機(jī)械耦接至膜的棘輪式運(yùn)輸器，其中棘輪式運(yùn)輸器構(gòu)造為用于將膜的振動能量轉(zhuǎn)換為棘輪式運(yùn)輸器的平移，使得棘輪式運(yùn)輸器能夠在膜振動時經(jīng)由通道從膜的一側(cè)運(yùn)送到膜的另一側(cè)，從而將膜的振動能量轉(zhuǎn)換為棘輪式運(yùn)輸器的平動能，并且收集來自膜的能量。

本發(fā)明還公開了傳感器，所述傳感器進(jìn)一步包括以電、磁和/或機(jī)械的方式耦接至膜和/或基板的部件，使得該部件構(gòu)造為用于檢測來自膜的信號。在一些實例中，基板導(dǎo)熱并且膜與基板熱接觸，其中基板構(gòu)造為用于將熱能轉(zhuǎn)換為膜的振動，使得膜具有振動能量，并且部件構(gòu)造為用于檢測由膜的振動能量產(chǎn)生的信號。熱能可例如包括環(huán)境熱能。在一些實例中，膜具有振動能量，并且部件構(gòu)造為用于檢測由膜的振動能量產(chǎn)生的信號。振動能量可例如包括環(huán)境振動能量。振動能量可例如包括具有0.1mhz至10ghz的頻率的振動。部件可包括電耦接至膜和/或基板的電極。在一些實例中，電極可構(gòu)造為用于檢測膜的振動能量的頻率，使得傳感器構(gòu)造為基于膜的振動的頻率的變化來檢測膜的質(zhì)量變化。在一些實例中，電極可構(gòu)造為用于檢測來自膜的電壓信號的量值，使得傳感器構(gòu)造為基于從膜檢測到的信號的量值的變化來檢測膜的電荷變化。

本發(fā)明還公開了制造本文所述的能量收集裝置和傳感器的方法。例如，制造本文所述的能量收集裝置和/或傳感器的方法可包括：壓縮二維材料的片材以形成膜；將膜設(shè)置在基板上；以及以電、磁和/或機(jī)械的方式將部件耦接至膜和/或基板。

壓縮二維材料的片材可例如包括在該整個片材上施加橫向壓縮力，其中橫向壓縮力具有1納牛(nn)至100nn的量值。在一些實例中，二維材料的片材具有初始長度，并且二維材料的壓縮片材具有壓縮長度，其中壓縮長度比初始長度短0.01％至1％。

本發(fā)明還公開了使用本文所述的能量收集裝置和/或傳感器的方法。例如，本發(fā)明還公開了使用本文所述的能量收集裝置收集能量的方法。

以下說明中將部分闡述本發(fā)明所公開的裝置和方法的其他優(yōu)點(diǎn)，并且這些優(yōu)點(diǎn)將部分地從說明中顯而易見。本發(fā)明所公開的裝置的優(yōu)點(diǎn)將通過隨附權(quán)利要求中特別指出的元素與組合來實現(xiàn)和獲得。應(yīng)當(dāng)理解，前文大體說明以及以下詳細(xì)說明僅是示例性以及解釋性的且并不限制所要求保護(hù)的本發(fā)明所公開的裝置和方法。

在附圖和以下說明中闡述了本發(fā)明的一個或多個實施例的細(xì)節(jié)。本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)在說明和附圖以及權(quán)利要求中將顯而易見。

附圖說明

并入在本說明書中并且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖闡明本公開的若干方面，并且與說明一起用以解釋本公開的原理。

圖1為設(shè)置在基板上的石墨烯膜的示意圖，該基板包含銅網(wǎng)格。

圖2為石墨烯膜中天然形成的波紋的示意圖。

圖3為能量收集裝置的示意圖。

圖4為圖3所示的能量收集裝置所產(chǎn)生的交流電流被轉(zhuǎn)換為直流電流并且存儲在電容器中的示意圖。

圖5為能量收集裝置的示意圖。

圖6為能量收集裝置的示意圖。

圖7為能量收集裝置的示意圖。

圖8a為能量收集裝置的示意圖。

圖8b為能量收集裝置的示意圖。

圖9a為能量收集裝置的示意圖。

圖9b為能量收集裝置的示意圖。

圖9c為能量收集裝置的示意圖。

圖10為傳感器的示意圖。

圖11示出了二維材料膜的實施方式的頂視圖和側(cè)視圖，其中顯示了一個波紋的形成。

圖12示出了膜的實施方式的橫截面的側(cè)視圖，其中顯示了通過在膜上兩個獨(dú)立的端點(diǎn)處自然產(chǎn)生的壓縮力而形成兩個波紋。

圖13為壓縮二維材料的片材的示意圖。

圖14為獨(dú)立式石墨烯的高度隨時間的變化。

圖15為圖14中高度-時間數(shù)據(jù)的自相關(guān)性。

圖16為根據(jù)圖14和圖15中的數(shù)據(jù)計算出的功率譜密度。

圖17為介于cu導(dǎo)軌支撐件之間的原始獨(dú)立式石墨烯的sem圖像。

圖18為實驗設(shè)置的示意圖。

圖19示出了膜(上方)和剛性樣品(下方)的高度的典型時間跡線。插圖為獨(dú)立式石墨烯時間跡線的放大視圖。

圖20示出了測量過程中的典型隧穿電流分布。

圖21為作為時間函數(shù)的膜高的均方位移(msd)。虛線符合斜率1.4和0.3。插圖為使用指數(shù)等待時間和cauchy躍長進(jìn)行模擬的結(jié)果。同樣，虛線符合斜率1.4和0.3。

圖22為根據(jù)圖19中所示的膜高z(t)計算出的速度自相關(guān)函數(shù)(acf)和瞬時速度(插圖)。

圖23為擬合到cauchy-lorentz和高斯分布的實測獨(dú)立式石墨烯(fsg)膜速度概率分布函數(shù)(pdf)以及剛性對照樣品的結(jié)果(方塊符號)。

圖24為不同隧穿電流的速度概率分布函數(shù)和cauchy-lorentz擬合結(jié)果(完整曲線)。

圖25為速度概率分布函數(shù)的fwhm隨兩個不同偏置電壓設(shè)定點(diǎn)的隧穿電流的變化。

圖26為根據(jù)低溫(100k)和高溫(3000k)的md模擬得到的中心碳原子在不同時間下的高度。發(fā)現(xiàn)高溫數(shù)據(jù)在1ns內(nèi)從正高度轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)高度四次。還顯示了低通濾波高度。使用溫度加速動力學(xué)(tad)執(zhí)行這些計算，其中1ns的計算時間實時為1ms。

圖27為低通濾波高度數(shù)據(jù)的躍長概率分布函數(shù)，其最佳擬合cauchy-lorentz和高斯分布。

圖28為圖26中標(biāo)記為“(c)”的向下彎曲形狀的膜的透視圖。

圖29為圖26中標(biāo)記為“(d)”的向上彎曲形狀的膜的透視圖。

圖30為使用lammps根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的分子動力學(xué)模擬報告的輸出，顯示了預(yù)屈曲獨(dú)立式石墨烯的高度-時間數(shù)據(jù)。

具體實施方式

通過參考以下對本發(fā)明所公開的主題及其中包括的實例的具體方面的詳細(xì)說明，可以更容易地理解本文所述的裝置和方法。

在公開和描述本發(fā)明的裝置和方法之前，應(yīng)當(dāng)理解，以下描述的方面并不僅限于在以下說明中闡述的或在附圖中示出的部件的構(gòu)造和布置的細(xì)節(jié)。本發(fā)明所公開的技術(shù)可具有其他實施例，并且能夠以多種方式實踐或?qū)嵤?/p>

在下面的說明中參考了附圖，這些附圖形成本發(fā)明的一部分并且以例示的方式示出了特定實施例或?qū)嵗?/p>

另外應(yīng)當(dāng)了解，本文使用的術(shù)語只是為了描述特定方面的目的，并非旨在進(jìn)行限制。在描述示例性實施例時，為了清楚起見，將采用術(shù)語。每個術(shù)語旨在設(shè)想本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的最廣泛的含義，并且包括以類似方式操作以實現(xiàn)類似目的的所有技術(shù)等同形式。還應(yīng)當(dāng)了解，提及方法的一個或多個步驟并不排除在明確指出的那些步驟之間存在另外的方法步驟或中間方法步驟。在不脫離本發(fā)明所公開的技術(shù)的范圍的情況下，可按照與本文所述的順序不同的順序執(zhí)行方法的步驟。類似地，還應(yīng)當(dāng)了解，在裝置或系統(tǒng)中提及一個或多個部件并不排除在明確指出的那些部件之間存在附加部件或中間部件。

另外，在整個說明書中，引用了各種出版物。這些出版物的全部公開內(nèi)容據(jù)此以引用方式并入本申請，以便更全面地描述本發(fā)明所公開的內(nèi)容所涉及的現(xiàn)有技術(shù)。所公開的參考文獻(xiàn)也單獨(dú)并且具體地以引用方式并入本文，參考文獻(xiàn)中包含的材料在參考文獻(xiàn)所依據(jù)的句子中予以討論。

定義

在本說明書及隨后的權(quán)利要求書中，將引用多個術(shù)語，將其定義為具有以下含義：

在本說明書的說明和權(quán)利要求書中，字詞“包括”和該字詞的其他形式諸如“包含”和“具有”意指“包括但不限于”，并不旨在排除例如其他添加劑、組分、整數(shù)或步驟。

如在說明和所附權(quán)利要求中所用，單數(shù)形式“一個”“一種”“該”和“所述”包括復(fù)數(shù)指代物，除非上下文另外明確規(guī)定。因此，例如，對“一種組合物”的提及包括兩種或更多種此類組合物的混合物，對“所述化合物”的提及包括兩種或更多種此類化合物的混合物，對“一種試劑”的提及包括兩種或更多種此類試劑的混合物，等等。

應(yīng)當(dāng)理解，在整個說明書中，標(biāo)識符“第一”和“第二”僅用于幫助讀者區(qū)分本發(fā)明所公開的主題的各種部件、特征或步驟。標(biāo)識符“第一”和“第二”并非旨在暗示對由這些術(shù)語修飾的部件或步驟的任何特定的次序、數(shù)量、偏好或重要性。

如本文中所用的術(shù)語“或其組合”是指在所述術(shù)語前面所列項目的所有排列和組合。例如，“a、b、c或其組合”旨在包括以下各項中的至少一者：a、b、c、ab、ac、bc或abc，并且如果在特定情況下順序是重要的，那么還包括ba、ca、cb、cba、bca、acb、bac或cab。繼續(xù)該實例，明確地包括含有一或多個項目或術(shù)語的重復(fù)的組合，例如bb、aaa、ab、bbc、aaabcccc、cbbaaa、cababb等。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，除非另外從上下文顯而易見，否則通常不存在對任何組合中的項目或術(shù)語的數(shù)量的限制。

能量收集裝置和傳感器

本發(fā)明描述的是能量收集裝置100和傳感器140。能量收集裝置100和傳感器可包括設(shè)置在基板104上的膜102，其中膜102包含二維(2d)材料和一個或多個波紋。

在一個示例性實施例中，公開了一種能量收集裝置100，該能量收集裝置具有用于環(huán)境振動能量收集的電源，并且具有用于以相對低的頻率屈曲的原子二維膜102。如果用作能量收集裝置100的有源部件，這些二維材料的異常振動動能與現(xiàn)有技術(shù)相比可提供優(yōu)異的能量產(chǎn)生。例如，在當(dāng)前的硅微機(jī)電(mem)振動能量收集技術(shù)中，有源部件可為蝕刻硅平臺。該平臺無法自發(fā)振動或機(jī)械屈曲，因為它剛性過高。“機(jī)械屈曲”在本公開中理解為非線性現(xiàn)象。硅mem結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有方法為線性響應(yīng)裝置。相比之下，本文所述的能量收集裝置100的膜102可自發(fā)振動和機(jī)械屈曲。

二維材料可例如包括石墨烯、mos2、mose2、ws2、wse2、res2、rese2或其組合。在某些實例中，二維材料可包括石墨烯。

可基于多種因素選擇二維材料的特性。例如，不同二維材料的彎曲剛度有所不同，因此可獲得不同的振動頻率。另外，各種二維材料的電導(dǎo)率存在很大差異，可使用靜電方法來控制收集能量的效率。因此，可選擇二維材料的特性以控制這些參數(shù)中的一種或多種。

在一些實例中，膜102可包含獨(dú)立式石墨烯，獨(dú)立式石墨烯在速度概率分布中具有很大的速度分量。在一些實例中，膜102可在室溫下表現(xiàn)出永久性非線性運(yùn)動。

膜102可例如具有0.3納米(nm)或更大(例如，0.4nm或更大、0.5nm或更大、0.6nm或更大、0.7nm或更大、0.8nm或更大、0.9nm或更大、1.0nm或更大、1.1nm或更大、1.2nm或更大、1.3nm或更大、1.4nm或更大、1.5nm或更大、1.6nm或更大、1.7nm或更大、1.8nm或更大、1.9nm或更大、2.0nm或更大、2.1nm或更大、2.2nm或更大、2.3nm或更大、2.4nm或更大、或2.5nm或更大)的平均厚度。在一些實例中，膜102可具有3.0nm或更小(例如，2.9nm或更小、2.8nm或更小、2.7nm或更小、2.6nm或更小、2.5nm或更小、2.4nm或更小、2.3nm或更小、2.2nm或更小、2.1nm或更小、2.0nm或更小、1.9nm或更小、1.8nm或更小、1.7nm或更小、1.6nm或更小、1.5nm或更小、1.4nm或更小、1.3nm或更小、1.2nm或更小、1.1nm或更小、1.0nm或更小、0.9nm或更小、0.8nm或更小、0.7nm或更小、0.6nm或更小、或0.5nm或更小)的平均厚度。膜102的平均厚度可在從上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之間。例如，膜102可具有0.3nm至3.0nm(例如，0.3nm至2.5nm、0.3nm至2.0nm、0.3nm至1.5nm、0.3nm至1.0nm、或0.3nm至0.6nm)的平均厚度。

膜102可例如具有0.1微米(μm)或更大(例如，0.5μm或更大、1μm或更大、1.5μm或更大、2μm或更大、2.5μm或更大、3μm或更大、3.5μm或更大、4μm或更大、4.5μm或更大、5μm或更大、6μm或更大、7μm或更大、8μm或更大、9μm或更大、10μm或更大、15μm或更大、20μm或更大、25μm或更大、30μm或更大、35μm或更大、40μm或更大、45μm或更大、50μm或更大、60μm或更大、70μm或更大、或80μm或更大)的平均橫向尺寸。在一些實例中，膜102可具有100μm或更小(例如，90μm或更小、80μm或更小、70μm或更小、60μm或更小、50μm或更小、45μm或更小、40μm或更小、35μm或更小、30μm或更小、25μm或更小、20μm或更小、15μm或更小、10μm或更小、9μm或更小、8μm或更小、7μm或更小、6μm或更小、5μm或更小、4.5μm或更小、4μm或更小、3.5μm或更小、3μm或更小、2.5μm或更小、2μm或更小、1.5μm或更小、或1μm或更小)的平均橫向尺寸。膜102的平均橫向尺寸可在從上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之間。例如，膜102可具有0.1微米至100微米(例如，0.1μm至50μm、50μm至100μm、0.1μm至20μm、20μm至40μm、40μm至60μm、60μm至80μm、80μm至100μm、0.5μm至95μm、或10μm至90μm)的平均橫向尺寸。

在一些實例中，膜102可具有0.0牛頓每米(n/m)或更大(例如，0.01n/m或更大、0.02n/m或更大、0.03n/m或更大、0.04n/m或更大、0.05n/m或更大、0.06n/m或更大、0.07n/m或更大、0.08n/m或更大、0.09n/m或更大、0.10n/m或更大、0.11n/m或更大、0.12n/m或更大、0.13n/m或更大、0.14n/m或更大、0.15n/m或更大、0.20n/m或更大、0.25n/m或更大、0.30n/m或更大、0.35n/m或更大、0.40n/m或更大、0.45n/m或更大、0.50n/m或更大、0.60n/m或更大、0.70n/m或更大、0.80n/m或更大、0.90n/m或更大、1.0n/m或更大、1.5n/m或更大、2.0n/m或更大、2.5n/m或更大、3.0n/m或更大、3.5n/m或更大、4.0n/m或更大、4.5n/m或更大、5.0n/m或更大、6.0n/m或更大、或7.0n/m或更大)的單位長度張力。在一些實例中，膜102可具有10.0n/m或更小(例如，9.0n/m或更小、8.0n/m或更小、7.0n/m或更小、6.0n/m或更小、5.0n/m或更小、4.5n/m或更小、4.0n/m或更小、3.5n/m或更小、3.0n/m或更小、2.5n/m或更小、2.0n/m或更小、1.5n/m或更小、1.0n/m或更小、0.90n/m或更小、0.80n/m或更小、0.70n/m或更小、0.60n/m或更小、0.50n/m或更小、0.45n/m或更小、0.40n/m或更小、0.35n/m或更小、0.30n/m或更小、0.25n/m或更小、0.20n/m或更小、0.15n/m或更小、0.14n/m或更小、0.13n/m或更小、0.12n/m或更小、0.11n/m或更小、0.10n/m或更小、0.09n/m或更小、0.08n/m或更小、0.07n/m或更小、0.06n/m或更小、或0.05n/m或更小)的單位長度張力。膜102的單位長度張力可在從上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之間。例如，膜102可具有0.0n/m至10.0n/m(例如，0.0n/m至8.0n/m、0.0n/m至5.0n/m、0.0n/m至3.0n/m、0.0n/m至1.0n/m、0.0至0.5n/m、0.0至0.3n/m、或0.03n/m至0.12n/m)的單位長度張力。該張力可使用原子力顯微鏡測得。

所述一個或多個波紋可例如具有1nm或更大(例如，2nm或更大、3nm或更大、4nm或更大、5nm或更大、6nm或更大、7nm或更大、8nm或更大、9nm或更大、10nm或更大、15nm或更大、20nm或更大、25nm或更大、30nm或更大、35nm或更大、40nm或更大、45nm或更大、50nm或更大、55nm或更大、60nm或更大、65nm或更大、70nm或更大、75nm或更大、或80nm或更大)的平均長度。在一些實例中，所述一個或多個波紋可具有100nm或更小(例如，95nm或更小、90nm或更小、85nm或更小、80nm或更小、75nm或更小、70nm或更小、65nm或更小、60nm或更小、55nm或更小、50nm或更小、45nm或更小、40nm或更小、35nm或更小、30nm或更小、25nm或更小、20nm或更小、15nm或更小、10nm或更小、9nm或更小、8nm或更小、7nm或更小、6nm或更小、或5nm或更小)的平均長度。所述一個或多個波紋的平均長度可在從上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之間。例如，所述一個或多個波紋可具有1nm至100nm(例如，1nm至90nm、1nm至80nm、1nm至70nm、1nm至60nm、5nm至50nm、10nm至40nm、或20nm至30nm)的平均長度。波紋的長度可例如使用電子顯微鏡測得。

在一些實例中，所述一個或多個波紋可具有0.1nm或更大(例如，0.11nm或更大、0.12nm或更大、0.13nm或更大、0.14nm或更大、0.15nm或更大、0.20nm或更大、0.25nm或更大、0.30nm或更大、0.35nm或更大、0.40nm或更大、0.45nm或更大、0.50nm或更大、0.60nm或更大、0.70nm或更大、0.80nm或更大、0.90nm或更大、1.0nm或更大、1.1nm或更大、1.2nm或更大、1.3nm或更大、1.4nm或更大、或1.5nm或更大)的平均高度。在一些實例中，所述一個或多個波紋可具有2.0nm或更小(例如，1.9nm或更小、1.8nm或更小、1.7nm或更小、1.6nm或更小、1.5nm或更小、1.4nm或更小、1.3nm或更小、1.2nm或更小、1.1nm或更小、1.0nm或更小、0.90nm或更小、0.80nm或更小、0.70nm或更小、0.60nm或更小、0.50nm或更小、0.45nm或更小、0.40nm或更小、0.35nm或更小、0.30nm或更小、0.25nm或更小、或0.20nm或更小)的平均高度。所述一個或多個波紋的平均高度可在從上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之間。例如，所述一個或多個波紋可具有0.1nm至2.0nm(例如，0.1nm至1.5nm、0.1nm至1.0nm、0.1nm至0.70nm、0.20nm至0.60nm、0.30nm至0.50nm、或0.35nm至0.45nm)的平均高度。波紋的高度可例如使用電子顯微鏡測得。

膜102可例如固定在基板104的一端或兩端。在一些實例中，膜102構(gòu)造為用于通過其中心部分振動。

基板104可例如包含銅、硅、碳化硅、藍(lán)寶石或其組合。在一些實例中，基板104可包含網(wǎng)格，該網(wǎng)格包含一個或多個開孔。

以下討論針對特定的實例，其中膜102包含石墨烯，并且基板104包含銅網(wǎng)格，但是相同的概念可適用于本文所述的任何膜102和/或基板104。

在某些實施例中，膜102可包括來自石墨的碳的單個原子平面作為其有源部件。一片石墨烯可置于一個或多個開孔的銅網(wǎng)格之上。以石墨烯覆蓋的每個開孔可形成開放式框架幾何結(jié)構(gòu)，其間具有獨(dú)立式石墨烯。當(dāng)石墨烯置于銅網(wǎng)格上時，在石墨烯的邊緣和銅網(wǎng)格側(cè)壁之間存在強(qiáng)范德華相互作用(約0.1j/m²)(圖1)。根據(jù)過量石墨烯的量，顯示為zo的接觸的長度將自然地增加或減少，直到力平衡為止。這種現(xiàn)象被稱為自張緊。最終張力可為約0.1n/m，并且獨(dú)立式石墨烯的最終幾何結(jié)構(gòu)可由波紋構(gòu)成(圖2)。這些波紋可自然形成，并且波紋的長度的典型尺寸分布為20nm至24nm，高度的典型尺寸分布為0.3nm至0.5nm。為了形成波紋，石墨烯必須能夠自由地自壓縮至最終的自張力。

與波紋幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)的壓縮應(yīng)變是長度變化除以初始長度。壓縮應(yīng)變可例如為0.01％或更大(例如，0.02％或更大、0.03％或更大、0.04％或更大、0.05％或更大、0.06％或更大、0.07％或更大、0.08％或更大、0.09％或更大、0.1％或更大、0.2％或更大、0.3％或更大、0.4％或更大、0.5％或更大、0.6％或更大、0.7％或更大、或0.8％或更大)。在一些實例中，壓縮應(yīng)變可為1％或更小(例如，0.9％或更小、0.8％或更小、0.7％或更小、0.6％或更小、0.5％或更小、0.4％或更小、0.3％或更小、0.2％或更小、0.1％或更小、0.09％或更小、0.08％或更小、0.07％或更小、0.06％或更小、0.05％或更小、或0.04％或更小)。壓縮應(yīng)變可例如在從上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范圍內(nèi)。例如，壓縮應(yīng)變可在0.01％至1％(例如，0.01％至0.1％、0.1％至1％、0.01％至0.05％、0.05％至0.1％、0.1％至0.5％、0.5％至1％、或0.05％至0.5％)的范圍內(nèi)。

當(dāng)石墨烯被拉伸時，可以對基板104和石墨烯組件施加拉伸載荷，并且改變波紋的形狀。改變波紋的形狀將改變壓縮應(yīng)變并且改變石墨烯自發(fā)地反轉(zhuǎn)其曲率的速率。另選地，通過調(diào)節(jié)外部載荷，可改變膜102的振動的頻率。

當(dāng)保持在室溫(例如300k)時，由于熱能從銅網(wǎng)格的桿支撐部連續(xù)流動，獨(dú)立式石墨烯可自發(fā)地振動。在原子水平上，當(dāng)石墨烯膜102保持在室溫時，每個碳原子具有等于kbt或約25mev的動能(0.5mv²，其中m為碳原子的質(zhì)量，v是其速度)。這是一種豐富的能源，因為石墨烯的密度為4×10¹⁵個原子/cm²。電功率計算預(yù)測每個波紋可產(chǎn)生10pw的功率，相當(dāng)于250,000w/m²，這使其與風(fēng)能和太陽能生產(chǎn)類似。由于速度不是零，因此膜102內(nèi)的原子處于不斷運(yùn)動狀態(tài)。由于原子在網(wǎng)絡(luò)中連接在一起，因此整個膜102形成波紋，并且有時這些波紋反轉(zhuǎn)它們的曲率。每個波紋都有數(shù)千個原子，并且當(dāng)曲率自身反轉(zhuǎn)時，所有原子同相相干地一起運(yùn)動，并且可收集這種能量。這一自然運(yùn)動可用作能量收集裝置100的有源部件，或者這一自然運(yùn)動可用于驅(qū)動傳統(tǒng)振動能量收集裝置100的有源部件。

在一些實例中，膜102可具有一個波紋。在一些實例中，膜102可包含多個波紋，所述多個波紋可形成相互作用的波紋的網(wǎng)絡(luò)。在一些實例中，尺寸為10微米×10微米的膜102可具有超過100,000個波紋。一個波紋的運(yùn)動可影響附近其他波紋的運(yùn)動，從而提供增強(qiáng)能量收集能力的反饋機(jī)制。

能量收集裝置100進(jìn)一步包括以電、磁和/或機(jī)械的方式耦接至膜102和/或基板104的部件106，使得部件106構(gòu)造為用于收集來自膜102的能量。

在一些實例中，基板104導(dǎo)熱并且膜102與基板104熱接觸，其中基板104的熱能可被轉(zhuǎn)換為膜102的振動，使得膜102具有振動能量，并且部件106構(gòu)造為用于將膜102的振動能量轉(zhuǎn)換為電能、磁能和/或機(jī)械能，從而收集來自膜102的能量。在一些實例中，熱能可包括環(huán)境熱能。

在一些實例中，膜102可具有振動能量，并且部件106構(gòu)造為用于將膜102的振動能量轉(zhuǎn)換為電能、磁能和/或機(jī)械能，從而收集來自膜102的能量。在一些實例中，振動能量包括環(huán)境振動能量。

振動能量可例如包括具有0.1毫赫或更大(例如，0.5mhz或更大、1mhz或更大、5mhz或更大、10mhz或更大、50mhz或更大、100mhz或更大、500mhz或更大、1hz或更大、5hz或更大、10hz或更大、50hz或更大、100hz或更大、500hz或更大、1千赫(khz)或更大、10khz或更大、50khz或更大、100khz或更大、500khz或更大、1兆赫(mhz)或更大、5mhz或更大、10mhz或更大、50mhz或更大、100mhz或更大、500mhz或更大、或1千兆赫(ghz)或更大)的頻率的振動。在一些實例中，振動能量可包括具有10千兆赫(ghz)或更小(例如，5ghz或更小、1ghz或更小、500mhz或更小、100mhz或更小、50mhz或更小、10mhz或更小、5mhz或更小、1mhz或更小、500khz或更小、100khz或更小、50khz或更小、10khz或更小、5khz或更小、1khz或更小、500hz或更小、100hz或更小、50hz或更小、10hz或更小、5hz或更小、1hz或更小、500mhz或更小、100mhz或更小、50mhz或更小、10mhz或更小、或5mhz或更小)的頻率的振動。振動能量的振動的頻率可在從上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之間。例如，振動能量可包括具有0.1mhz至10ghz(例如，0.1mhz至1khz、1khz至10ghz、0.1mhz至1hz、1hz至1khz、1khz至1mhz、1mhz至10ghz、或5mhz至1ghz)的頻率的振動。

在一些實例中，膜102能夠連續(xù)振動，因為它可以利用較低頻率并且不受噪聲約束的環(huán)境能量。依次，該環(huán)境能量可由部件106利用并且轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，包括電能。

盡管傳統(tǒng)的振動能量收集裝置100需要宏觀的外部驅(qū)動力以收集振動能量(例如，運(yùn)動的汽車的振動)，但是在一些實例中，本文所述的能量收集裝置100可由環(huán)境條件驅(qū)動。例如，本文所述的能量收集裝置100可在安靜的環(huán)境以及嘈雜的環(huán)境中收集能量。

在一些實例中，能量收集裝置100可構(gòu)造為使得所述一個或多個波紋中的每個能夠產(chǎn)生1皮瓦(pw)或更大(例如，5pw或更大、10pw或更大、15pw或更大、20pw或更大、25pw或更大、30pw或更大、35pw或更大、40pw或更大、45pw或更大、50pw或更大、55pw或更大、60pw或更大、65pw或更大、70pw或更大、75pw或更大、80pw或更大、85pw或更大、或90pw或更大)的功率。在一些實例中，能量收集裝置100可構(gòu)造為使得所述一個或多個波紋中的每個能夠產(chǎn)生100pw或更小(例如，95pw或更小、90pw或更小、85pw或更小、80pw或更小、75pw或更小、70pw或更小、65pw或更小、60pw或更小、55pw或更小、50pw或更小、45pw或更小、40pw或更小、35pw或更小、30pw或更小、25pw或更小、20pw或更小、15pw或更小、或10pw或更小)的功率。所述一個或多個波紋中的每個所產(chǎn)生的功率可在從上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之間。例如，能量收集裝置100可構(gòu)造為使得所述一個或多個波紋中的每個能夠產(chǎn)生1pw至100pw(例如，1pw至50pw、50pw至100pw、1pw至30pw、20pw至40pw、40pw至60pw、60pw至80pw、80pw至100pw、10pw至90pw、或20pw至80pw)的功率。

在一些實例中，能量收集裝置100可具有1瓦特每平方米(w/m²)或更大(例如，2w/m²或更大；3w/m²或更大；4w/m²或更大；5w/m²或更大；10w/m²或更大；50w/m²或更大；100w/m²或更大；500w/m²或更大；1,000w/m²或更大；5,000w/m²或更大；10,000w/m²或更大；或50,000w/m²或更大)的功率密度。在一些實例中，能量收集裝置100可具有100,000w/m²或更小(例如，90,000w/m²或更?。?0,000w/m²或更??；70,000w/m²或更小；60,000w/m²或更??；50,000w/m²或更??；10,000w/m²或更小；5,000w/m²或更??；1,000w/m²或更??；500w/m²或更?。?00w/m²或更?。?0w/m²或更??；10w/m²或更??；或5w/m²或更小)的功率密度。能量收集裝置100的功率密度可在從上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之間。例如，能量收集裝置100可具有1w/m²至100,000w/m²(例如，1w/m²至1,000w/m²；1,000w/m²至100,000w/m²；1w/m²至100w/m²；100w/m²至1,000w/m²；1,000w/m²至10,000w/m²；10,000w/m²至100,000w/m²；10w/m²至50,000w/m²；或100w/m²至10,000w/m²)的功率密度。

現(xiàn)在參考圖3，在一些實例中，膜102可具有電荷，并且部件106包括設(shè)置在膜102的周圍并且電耦接至膜102的電容器108，其中電容器108構(gòu)造為用于將荷電膜102的振動能量轉(zhuǎn)換為交流電流，從而收集來自膜102的能量。例如，荷電膜102(中心)的運(yùn)動在附近的電容器板(上板和下板)108中感應(yīng)出電流。該系統(tǒng)為基于駐極體的靜電轉(zhuǎn)換器，其基于可變間隙電容器設(shè)計。膜102上的固定電荷用作固定電壓源，并且隨著膜102運(yùn)動，電容隨時間發(fā)生變化，因為距離隨時間發(fā)生變化。輸出功率與電壓平方乘以電容變化除以一個周期的時間變化成比例。駐極體實現(xiàn)了簡單的機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)在參考圖4，在一些實例中，裝置100可進(jìn)一步包括二極管橋式電路110以將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流。裝置100可例如進(jìn)一步包括電耦接至二極管橋110的電容器112，使得直流可對電容器112充電，從而存儲由荷電膜102的振動能量產(chǎn)生的電荷。一旦充電，電容器112可例如用于為電子裝置供電，例如用于無線傳感器應(yīng)用的單個周期。

在一些實例中，能量收集裝置100可包括電磁感應(yīng)裝置?，F(xiàn)在參考圖5，在一些實例中，膜102可進(jìn)一步包括多個磁性粒子114。所述多個磁性粒子114可例如包含鐵、鈷、鈮、錳、鎳或其組合。在一些實例中，所述多個磁性粒子114可包含氧化鐵、氧化鈷或其組合。

所述多個磁性粒子114可具有平均粒徑?！捌骄６取焙汀捌骄健痹诒疚闹锌苫Q使用，并且通常是指顆粒群中顆粒的統(tǒng)計平均粒徑。例如，基本上呈球形的多個顆粒的平均粒徑可包括所述多個顆粒的平均直徑。對于各向異性顆粒，平均粒徑可以指例如顆粒的平均最大尺寸(例如，棒狀顆粒的長度、立方體形狀顆粒的對角線、三角形顆粒的平分線等)。平均粒徑可使用本領(lǐng)域中已知的方法進(jìn)行測量，例如通過掃描電子顯微鏡和/或透射電子顯微鏡進(jìn)行評估。

在一些實例中，所述多個磁性粒子114可基本上為單分散的。如本文所用，“單分散”和“均勻尺寸分布”通常描述其中所有顆粒具有相同或幾乎相同的尺寸的顆粒群。如本文所用，單分散分布是指其中80％的分布(例如，85％的分布、90％的分布或95％的分布)位于中值粒徑的25％以內(nèi)(例如，在中值粒徑的20％以內(nèi)、在中值粒徑的15％以內(nèi)、在中值粒徑的10％以內(nèi)、或在中值粒徑的5％以內(nèi))的顆粒分布。

所述多個磁性粒子可包括任何形狀的粒子(例如，球形、棒形、四邊形、橢圓形、三角形、多邊形等)。在一些實例中，所述多個磁性粒子114可具有各向同性的形狀。在一些實例中，所述多個磁性粒子114可具有各向異性的形狀。

所述多個磁性粒子114可例如具有0.5nm或更大(例如，0.6nm或更大、0.7nm或更大、0.8nm或更大、0.9nm或更大、1.0nm或更大、1.1nm或更大、1.2nm或更大、1.3nm或更大、1.4nm或更大、1.5nm或更大、1.6nm或更大、1.7nm或更大、1.8nm或更大、1.9nm或更大、2.0nm或更大、2.5nm或更大、3.0nm或更大、3.5nm或更大、4.0nm或更大、4.5nm或更大、5.0nm或更大、5.5nm或更大、6.0nm或更大、6.5nm或更大、7.0nm或更大、7.5nm或更大、或8.0nm或更大)的平均粒徑。在一些實例中，所述多個磁性粒子114可具有10.0nm或更小(例如，9.5nm或更小、9.0nm或更小、8.5nm或更小、8.0nm或更小、7.5nm或更小、7.0nm或更小、6.5nm或更小、6.0nm或更小、5.5nm或更小、5.0nm或更小、4.5nm或更小、4.0nm或更小、3.5nm或更小、3.0nm或更小、2.5nm或更小、2.0nm或更小、1.9nm或更小、1.8nm或更小、1.7nm或更小、1.6nm或更小、1.5nm或更小、1.4nm或更小、1.3nm或更小、1.2nm或更小、1.1nm或更小、或1.0nm或更小)的平均粒徑。所述多個磁性粒子114的平均粒徑可在從上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之間。例如，所述多個磁性粒子114可具有0.5nm至10.0nm(例如，0.5nm至9.0nm、0.5nm至8.0nm、0.5nm至7.0nm、0.5nm至6.0nm、0.5nm至5.0nm、0.5nm至4.0nm、0.5nm至3.0nm,0.5nm至2.5nm、或1.0nm至2.0nm)的平均粒徑。所述多個磁性粒子114的平均粒徑可例如使用高分辨率透射電子顯微鏡進(jìn)行測定。

在一些實例中，部件106可包括磁耦接至膜102的電極回路116，其中裝置100構(gòu)造為用于將膜102的振動能量轉(zhuǎn)換為時變磁場，該時變磁場借由法拉第定律(faraday’slaw)在電極回路116中感應(yīng)出電流，從而將膜102的振動能量轉(zhuǎn)換為電流，并且收集來自膜102的能量。裝置100可例如進(jìn)一步包括電耦接至電極回路116的電容器，使得裝置100收集的能量能夠存儲在電容器中。

現(xiàn)在參考圖6，在一些實例中，部件106可包括壓電懸臂118，并且膜102具有機(jī)械耦接至壓電懸臂118的邊緣，其中壓電懸臂118構(gòu)造為用于將膜102的振動能量轉(zhuǎn)換為電能，從而收集來自膜102的能量。裝置100可例如進(jìn)一步包括電耦接至壓電懸臂118的電容器，使得裝置100收集的能量能夠存儲在電容器中。在一些實例中，壓電懸臂118可包括傳統(tǒng)振動能量收集裝置100的元件，使得本文所述的能量收集裝置100可用于經(jīng)由互連的壓電懸臂118為傳統(tǒng)的振動能量收集裝置100供電。

現(xiàn)在參考圖7，在一些實例中，膜102可為壓電膜，并且部件106包括以機(jī)械和電的方式耦接至膜102的電壓讀出器件120，其中壓電膜102構(gòu)造為用于將振動能量轉(zhuǎn)換為電能，該電能可由電壓讀出器件120收集。在某些實例中，當(dāng)壓電膜102振動并且反轉(zhuǎn)其曲率時，壓電膜102的振動可產(chǎn)生交流電壓。裝置100可例如進(jìn)一步包括電耦接至電壓讀出器件120的電容器，使得裝置100收集的能量能夠存儲在電容器中。

現(xiàn)在參考圖8a和圖8b，在一些實例中，部件106可包括機(jī)械耦接至膜102和/或基板104的箱形泵122，其中箱形泵122包括控制流體入口的第一單向流體流量閥124和控制流體出口的第二單向流體流量閥126，并且其中箱形泵122構(gòu)造為用于將膜102的振動能量轉(zhuǎn)換為經(jīng)由第一單向流體流量閥124和/或第二單流體流量閥126流過箱形泵122的流體流，從而將膜102的振動能量轉(zhuǎn)換為流體流，并且收集來自膜102的能量。

在一些實例中，特定膜102中的工程特定通道幾何結(jié)構(gòu)以及互補(bǔ)的棘輪式部件可產(chǎn)生小型人造lévy電機(jī)。在某些實例中，可控制物體通過膜102的運(yùn)動。現(xiàn)在參考圖9a、圖9b和圖9c，在一些實例中，膜102可進(jìn)一步包括橫穿膜102的通道128。部件106可例如包括機(jī)械耦接至膜102的棘輪式運(yùn)輸器130，其中棘輪式運(yùn)輸器130構(gòu)造為用于將膜102的振動能量轉(zhuǎn)換為棘輪式運(yùn)輸器130的平移，使得棘輪式運(yùn)輸器130能夠在膜102振動時經(jīng)由通道128從膜102的一側(cè)運(yùn)送到膜102的另一側(cè)，從而將膜102的振動能量轉(zhuǎn)換為棘輪式運(yùn)輸器130的平移，并且收集來自膜102的能量。例如，當(dāng)膜102反轉(zhuǎn)其曲率時，具有工程化幾何結(jié)構(gòu)的物體(例如，棘輪式運(yùn)輸器130)可被拉過膜102并且無法返回另一側(cè)。通過這種方式，該裝置100可用于分離或純化樣品。

本發(fā)明還公開了傳感器140，傳感器140進(jìn)一步包括以電、磁和/或機(jī)械的方式耦接至膜102和/或基板104的部件142，使得部件142構(gòu)造為用于檢測來自膜102的信號。

在一些實例中，基板104導(dǎo)熱并且膜102與基板104熱接觸，其中基板104構(gòu)造為用于將熱能轉(zhuǎn)換為膜102的振動，使得膜102具有振動能量，并且部件142構(gòu)造為用于檢測由膜102的振動能量產(chǎn)生的信號。熱能可例如包括環(huán)境熱能。

在一些實例中，膜102具有振動能量，并且部件142構(gòu)造為用于檢測由膜102的振動能量產(chǎn)生的信號。振動能量可例如包括環(huán)境振動能量。

振動能量可例如包括具有0.1毫赫或更大(例如，0.5mhz或更大、1mhz或更大、5mhz或更大、10mhz或更大、50mhz或更大、100mhz或更大、500mhz或更大、1hz或更大、5hz或更大、10hz或更大、50hz或更大、100hz或更大、500hz或更大、1千赫(khz)或更大、10khz或更大、50khz或更大、100khz或更大、500khz或更大、1兆赫(mhz)或更大、5mhz或更大、10mhz或更大、50mhz或更大、100mhz或更大、500mhz或更大、或1千兆赫(ghz)或更大)的頻率的振動。在一些實例中，振動能量可包括具有10千兆赫(ghz)或更小(例如，5ghz或更小、1ghz或更小、500mhz或更小、100mhz或更小、50mhz或更小、10mhz或更小、5mhz或更小、1mhz或更小、500khz或更小、100khz或更小、50khz或更小、10khz或更小、5khz或更小、1khz或更小、500hz或更小、100hz或更小、50hz或更小、10hz或更小、5hz或更小、1hz或更小、500mhz或更小、100mhz或更小、50mhz或更小、10mhz或更小、或5mhz或更小)的頻率的振動。振動能量的振動的頻率可在從上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之間。例如，振動能量可包括具有0.1mhz至10ghz(例如，0.1mhz至1khz、1khz至10ghz、0.1mhz至1hz、1hz至1khz、1khz至1mhz、1mhz至10ghz、或5mhz至1ghz)的頻率的振動。

例如，在傳感器140的某些實施方式中，部件142能夠可操作地與膜102連接，其中膜102將具有可操作的預(yù)定靈敏度以利用相對低頻的振動。因此，部件142可構(gòu)造為用于檢測膜102的屈曲頻率，并且當(dāng)部件142檢測到膜102的頻率的預(yù)定變化時，例如基于附加質(zhì)量的存在，由于裝置的膜102的靈敏度，將確定并傳輸關(guān)于質(zhì)量的檢測輸出。

現(xiàn)在參考圖10，部件142可包括電耦接至膜102和/或基板104的電極144。電極144可例如位于鄰近膜102并且電耦接至膜102和/或基板104。電極144可例如包括單個電極，并且可包括金屬拾取電極。在一些實例中，傳感器140可對準(zhǔn)，使得電極144放置在膜102的下方。例如，電極144可構(gòu)造為用于連續(xù)監(jiān)測電壓拾取頻率，使得電極可檢測電壓拾取頻率的任何變化和/或電壓拾取的量值。

在一些實例中，電極構(gòu)造為用于檢測膜102的振動能量的頻率，使得傳感器構(gòu)造為基于膜102的振動的頻率的變化來檢測膜102的質(zhì)量變化。將額外質(zhì)量添加至膜102時，其改變膜102的固有頻率。校準(zhǔn)實驗將允許基于頻率的變化來量化質(zhì)量的變化。

在一些實例中，電極構(gòu)造為用于檢測來自膜102的電壓信號的量值，使得傳感器構(gòu)造為基于檢測到的電壓信號的量值的變化來檢測膜102的電荷變化。

制備方法

本發(fā)明還公開了制造本文所述的能量收集裝置和傳感器的方法。例如，制造本文所述的能量收集裝置和/或傳感器的方法可包括：壓縮二維材料的片材以形成膜；將膜設(shè)置在基板上；以及以電、磁和/或機(jī)械的方式將部件耦接至膜和/或基板。

壓縮二維材料的片材可例如包括在該片材上施加橫向壓縮力，如11和圖12所示。橫向壓縮力可例如具有1納牛頓(nn)或更大(例如，5nn或更大、10nn或更大、15nn或更大、20nn或更大、25nn或更大、30nn或更大、35nn或更大、40nn或更大、45nn或更大、50nn或更大、55nn或更大、60nn或更大、65nn或更大、70nn或更大、75nn或更大、80nn或更大、85nn或更大、或90nn或更大)的量值。在一些實例中，橫向壓縮力可為100nn或更小(例如，95nn或更小、90nn或更小、85nn或更小、80nn或更小、75nn或更小、70nn或更小、65nn或更小、60nn或更小、55nn或更小、50nn或更小、45nn或更小、40nn或更小、35nn或更小、30nn或更小、25nn或更小、20nn或更小、15nn或更小、或10nn或更小)。橫向壓縮力可在上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之間。例如，橫向壓縮力可為1nn至100nn(例如，1nn至50nn、50nn至500nn、1nn至20nn、20nn至40nn、40nn至60nn、60nn至80nn、80nn至100nn、5nn至95nn、10nn至90nn、或20nn至80nn)。

在一些實例中，二維材料的片材具有初始長度，并且二維材料的壓縮片材具有壓縮長度，例如如圖13中示意性地示出，其中壓縮長度比初始長度短0.01％至1％。

在一些實例中，膜的屈曲范圍可為0.2nm或更大(例如，0.3nm或更大、0.4nm或更大、0.5nm或更大、0.6nm或更大、0.7nm或更大、0.8nm或更大、0.9nm或更大、1.0nm或更大、1.5nm或更大、2.0nm或更大、2.5nm或更大、或3.0nm或更大)。在一些實例中，膜的屈曲范圍可為4.0nm或更小(例如，3.5nm或更小、3.0nm或更小、2.5nm或更小、2.0nm或更小、1.5nm或更小、1.0nm或更小、0.9nm或更小、0.8nm或更小、0.7nm或更小、0.6nm或更小、或0.5nm或更小)。屈曲范圍可在從上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之間。例如，屈曲范圍可為0.2nm至4.0nm(例如，0.2nm至2.0nm、2.0nm至4.0nm、0.2nm至1.0nm、1.0nm至2.0nm、2.0nm至3.0nm、3.0nm至4.0nm、或0.5nm至3.5nm)。屈曲范圍大體上等于所述一個或多個波紋的平均高度的兩倍。機(jī)械屈曲為波紋的曲率的反轉(zhuǎn)。

通過壓縮如本文所公開的二維片材使膜形成預(yù)屈曲狀態(tài)可減緩屈曲過程，使得膜能夠相互作用并且利用較低頻率的振動，諸如與環(huán)境條件相關(guān)的振動。如果使用無應(yīng)變方法將膜設(shè)置在基板上，則膜可自壓縮為預(yù)屈曲狀態(tài)。例如，借助銅上的石墨烯，可使用氯化鐵液體溶液蝕刻掉銅。在去除銅之后，石墨烯可保持漂浮在溶液的表面上。接下來，可將石墨烯從溶液中提起并置于包含網(wǎng)格的基板上。壓縮或擴(kuò)展網(wǎng)格可改變波紋的尺寸，并且改變自發(fā)曲率反轉(zhuǎn)的固有頻率。

使用方法

本發(fā)明還公開了使用本文所述的能量收集裝置和/或傳感器的方法。例如，本發(fā)明還公開了使用本文所述的能量收集裝置收集能量的方法。

本文所述的能量收集裝置可例如包含到用于提取能量的各種系統(tǒng)、裝置和方法中，包括放電傳感器、力和質(zhì)量傳感器以及自供電裝置。根據(jù)某些示例性實施例的包含本文所述的一個或多個能量收集裝置的系統(tǒng)、裝置和方法可利用獨(dú)立式二維膜的原子級波動的動力學(xué)。膜可包含隨機(jī)的平面外運(yùn)動，其表現(xiàn)出異常動力學(xué)和lévy游走的動力學(xué)變量特征的長尾平衡分布。例如，可使用掃描隧道顯微鏡(stm)來控制波動的膜。

應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明所公開的技術(shù)的能量收集裝置及相關(guān)系統(tǒng)和方法所涉及的任何部件或模塊可一體形成或彼此單獨(dú)形成。此外，可實現(xiàn)部件或模塊的冗余的功能或結(jié)構(gòu)。本文所述的任何特征以及本文所述的這些特征的部件可具有所有形狀以提供并且滿足環(huán)境需求、結(jié)構(gòu)需求和操作要求。此外，各個部件的位置和對準(zhǔn)可根據(jù)需要或要求而變化。

上文所述的內(nèi)容包括一個或多個實施例的實例。當(dāng)然，出于描述前述實施例的目的，不可能描述部件或方法的每個可設(shè)想的組合，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以認(rèn)識到各種實施例的許多其他組合和排列是可能的。因此，所述實施例旨在涵蓋落入本公開及本文所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)并且將在非臨時專利申請中提交的所有此類更改、修改和變化。

實例

以下實例用于示出根據(jù)本發(fā)明所公開的主題的方法和結(jié)果。這些實例并非旨在包括本文所公開的主題的所有方面，而是示出代表性的方法和結(jié)果。這些實例并非旨在排除對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的本發(fā)明的等同物和變型。

已經(jīng)努力確保數(shù)字(例如，數(shù)量、溫度等)的準(zhǔn)確性，但是應(yīng)該考慮一些誤差和偏差。除非另有說明，否則份數(shù)為重量份，溫度為℃或處于環(huán)境溫度，并且壓力為大氣壓或接近大氣壓。反應(yīng)條件存在多種變型和組合，例如，組分濃度、溫度、壓力以及可用于優(yōu)化由所述方法獲得的產(chǎn)物純度和產(chǎn)率的其他反應(yīng)范圍和條件。只需要通過合理的常規(guī)實驗即可優(yōu)化此類工藝條件。

實例1

本文描述了使用掃描隧道顯微鏡對獨(dú)立式石墨烯中的原子的平面外(垂直)運(yùn)動進(jìn)行亞納米級、高帶寬測量。通過長時間跟蹤垂直位置，與當(dāng)前先進(jìn)的成像技術(shù)相比，使原子級薄膜的時空動力學(xué)測量能力提高了1000倍。觀察到石墨烯膜的垂直運(yùn)動表現(xiàn)出罕見的長尺度偏移，其特征在于異常的均方位移和cauchy-lorentz冪律跳躍分布。

隨機(jī)過程在本質(zhì)上無處不在。對此類隨機(jī)過程的研究在現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用，并提供了物質(zhì)的原子性質(zhì)的第一個證據(jù)。langevin通過設(shè)想粒子的隨機(jī)微分運(yùn)動方程，開創(chuàng)了布朗運(yùn)動的真正動力學(xué)理論。該模型通常稱為ornstein-uhlenbeck模型，預(yù)測均方位移，msd(τ)∝τ，隨時間呈指數(shù)衰減的速度自相關(guān)函數(shù)(vcaf)以及maxwell-boltzmann平衡速度分布(litetal.science2010,328,1673)。測量精度和分辨率的最新進(jìn)展將布朗運(yùn)動的框架擴(kuò)展到前所未有的時空尺度和更廣泛的系統(tǒng)，其中包括光晶格中的原子擴(kuò)散和液體中的自旋擴(kuò)散(stapfsetal.phys.rev.lett.1995,75,2855；katorihetal.phys.rev.lett.1997,79,2221)。對此類系統(tǒng)的研究提供了有關(guān)引起隨機(jī)性的機(jī)制和相互作用的見解。例如，粒子可在一個小的鄰域中進(jìn)行經(jīng)典的布朗運(yùn)動，但隨后突然移動一大段距離至新的鄰域，在該鄰域中恢復(fù)經(jīng)典運(yùn)動。這是lévy游走的關(guān)鍵，它具有有限的速度和有限的等待時間，其中運(yùn)動的高速段和躍長形成長尾冪律分布(shlesingermfetal.nature(london)1993,363,31；metzlerrandklafterj.phys.rep.2000,339,1)。假設(shè)lévy游走存在于各種系統(tǒng)中，包括經(jīng)濟(jì)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)信號、氣候動力學(xué)以及甚至動物覓食中?，F(xiàn)在據(jù)信，即使在信息尋覓理論中，優(yōu)化的搜索算法也應(yīng)當(dāng)利用具有無窮方差的lévy穩(wěn)定分布(viswanathangmetal.nature(london)1999,401,911)。

膜波動的特征在于運(yùn)動垂直于膜的表面，也落在布朗運(yùn)動的范圍內(nèi)。生物膜，其中熱波動有助于化學(xué)物質(zhì)穿過通道傳輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)部(kosztiniandschultenk.phys.rev.lett.2004,93,238102)，已通過核磁共振光譜學(xué)和光學(xué)顯微鏡進(jìn)行了實驗研究(bociandfandchansi.annu.rev.phys.chem.1978,29,307；pecreauxjetal.eur.phys.j.e2004,13,277)。此外，膜結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的現(xiàn)代理論，包括彈性以及由langevin方程描述的隨機(jī)效應(yīng)，預(yù)測了膜的局部波動的maxwell-boltzmann分布(najiaetal.phys.rev.lett.2009,102,138102；reister-gottfriedeetal.phys.rev.e2010,81,031903)。

獨(dú)立式石墨烯可以是一種結(jié)晶膜，可在超高真空(uhv)環(huán)境中使用掃描隧道顯微鏡(stm)在原子尺度上探測而不發(fā)生降解。使用這種方法，表明石墨烯膜中的波紋可使用ising模型通過將向上(向下)彎曲的波紋映射為ising自旋的向上(向下)狀態(tài)來描述(schoelzjketal.phys.rev.b2015,91,045413)。這些研究中缺少的部分是對動態(tài)波動的測量。本文使用掃描隧道顯微鏡以亞納米分辨率來跟蹤波動的石墨烯膜的單個碳原子尺寸區(qū)域的運(yùn)動。膜進(jìn)行布朗運(yùn)動，其中罕見的大高度偏移指示lévy游走。此外，膜速度遵循長尾cauchy-lorentz冪律分布，而不是maxwell-boltzmann分布。

將在ni(多層石墨烯小于10％)上商業(yè)化生長的單層石墨烯直接轉(zhuǎn)移到2000目超細(xì)銅網(wǎng)格，該網(wǎng)格具有7.5μm寬的方孔格子，其中桿支撐部為5μm寬。掃描電子顯微鏡(sem)圖像表明石墨烯覆蓋了90％的銅網(wǎng)格(圖17)。利用在室溫下操作的omicron超高真空(基準(zhǔn)壓力為10^-10mbar)低溫掃描隧道顯微鏡進(jìn)行高度測量。石墨烯膜在支架上朝向樣品板安裝，這樣掃描隧道顯微鏡尖端通過網(wǎng)格的孔接近，以便提供更穩(wěn)定的支撐。整個掃描隧道顯微鏡腔體依靠有源、噪聲消除、隔振系統(tǒng)，并且使用具有隔離的建筑物接地的大型電池組供電，以實現(xiàn)極低的電噪聲。

使用在內(nèi)部制造的掃描隧道顯微鏡尖端，在恒定電流(反饋開啟)隧道條件下采集數(shù)據(jù)，并且將形貌掃描設(shè)置為點(diǎn)模式(無x或y掃描)。該系統(tǒng)適于允許16位數(shù)據(jù)連續(xù)記錄實際隧道電流和尖端高度，記錄速率為800hz，時間跨度為10⁴s，每個通道產(chǎn)生8×10⁶個數(shù)據(jù)點(diǎn)。獨(dú)立監(jiān)測掃描隧道顯微鏡尖端-樣品漂移，結(jié)果表明該漂移為非隨機(jī)的，并且小于1nm/hr。在涵蓋幾個數(shù)量級的隧道電流(0.01–10na)和偏置電壓(0.01–10v)的固定成像條件下從多個膜采集數(shù)據(jù)，全部操作均在室溫下完成。當(dāng)以原子分辨率對石墨烯表面成像時，僅觀察到在微米尺度上無缺陷的單層石墨烯。

實驗設(shè)置的示意圖如圖18所示。安裝在壓電管掃描器的端部的偏置掃描隧道顯微鏡尖端從下方接近電接地的獨(dú)立式石墨膜。圖19中示出掃描隧道顯微鏡設(shè)定值(i＝0.1na,v＝0.1v)的z(t)的典型時間序列。對于點(diǎn)模式掃描隧道顯微鏡而言，膜運(yùn)動的范圍(約10nm)非常大，并且為了比較，還顯示了從剛性樣品獲得的典型掃描隧道顯微鏡跡線。z(t)的如此大的值看起來是合理的，因為無支撐的石墨烯膜形成波紋狀結(jié)構(gòu)，其在大量能量等效構(gòu)型之間連續(xù)轉(zhuǎn)換(meyerjcetal.nature(london)2007,446,60；losjhetal.phys.rev.b2009,80,121405(r))。圖19的插圖顯示了膜高(以δo＝0.022nm為單位)作為時間的函數(shù)(以τo＝1.250ms為單位)的放大圖，其中兩次連續(xù)跳躍之間(即，高度的變化)的典型時間標(biāo)記為τk。計算該數(shù)據(jù)的等待時間概率分布，其遵循簡單的指數(shù)關(guān)系，表明它是一種poisson過程。圖20中測得的隧道電流對應(yīng)于圖19中所示的數(shù)據(jù)，保持遠(yuǎn)低于飽和水平并且遠(yuǎn)高于零，即使膜高發(fā)生顯著變化時也是如此。對于所有數(shù)據(jù)而言，尖端-樣品距離變化對膜高z(t)的貢獻(xiàn)可忽略不計。另外，實測高度與隧道電流之間的互相關(guān)系數(shù)小于0.05。

從時間序列z(t)中，根據(jù)以下公式計算均方位移：msd(τ)≡<[z(t+τ)-z(t)]²>，其結(jié)果如圖21所示。這些數(shù)據(jù)在時間方面涵蓋近7個數(shù)量級，其特征在于msd(τ)～τα的冪律依賴性，其中α≠1為異常擴(kuò)散指數(shù)。對于該數(shù)據(jù)，短時間運(yùn)動的特征在于α＝1.4(超擴(kuò)散運(yùn)動)，然后是α＝0.3(次擴(kuò)散運(yùn)動)的范圍。在不同的隧道設(shè)定值下獲得的其他數(shù)據(jù)集中，觀察到相同的指數(shù)。隨機(jī)游走模擬，使用指數(shù)等待時間和cauchy躍長，產(chǎn)生具有短時間超擴(kuò)散和長時間次擴(kuò)散的msd，如圖21所示。cauchy分布的實驗證據(jù)也來自膜速度。

從圖19中所示的z(t)的時間序列數(shù)值計算出的瞬時膜速度表現(xiàn)出具有短時記憶的高度不規(guī)則的行為[圖22的插圖]。圖22所示的速度自相關(guān)函數(shù)vacf(τ)≡<u(t)u(t+τ)>迅速下降，在0.1s左右變?yōu)樨?fù)值，指示液態(tài)行為，最終衰減為零(在10000s長時測量的0.5s內(nèi))，表明膜速度波動快速解相關(guān)。這一觀察結(jié)果表明，使用掃描隧道顯微鏡測量平衡速度分布是可能的，這得到了使用掃描隧道顯微鏡開展的其他單原子擴(kuò)散研究的支持(swartzentruberbs.phys.rev.lett.1996,76,459)。

圖23顯示了根據(jù)圖19所示的數(shù)據(jù)計算出的膜速度概率分布函數(shù)(pdf)。實線曲線是具有零平均速度的最佳擬合cauchy-lorentz分布，vo＝0并且fwhm2γ：

速度分布在零處達(dá)到峰值并且在零處對稱，與膜向上或向下運(yùn)動的相等的可能性(即，在存在掃描隧道顯微鏡尖端時的平衡運(yùn)動)一致，并且指示系統(tǒng)處于偏置電壓設(shè)定值的彈性極限內(nèi)。

即使觀察到高達(dá)500nm/s的膜速度，所有速度中的98％均在-15nm/s至15nm/s的范圍內(nèi)(圖23)。圖23中的虛線曲線為最佳擬合gaussian曲線。圖23中的數(shù)據(jù)清楚地遵循cauchy-lorentz分布而不是gaussian分布，對于大于10nm/s的速度而言尤其如此。三個數(shù)據(jù)點(diǎn)(方塊)對應(yīng)的是圖19中所示的剛性樣品數(shù)據(jù)，其在圖23中為了比較示出。圖24顯示了涵蓋多個數(shù)量級的隧穿電流的膜速度概率分布函數(shù)數(shù)據(jù)，以及最佳擬合cauchy-lorentz分布。這些速度分布從掃描隧道顯微鏡數(shù)據(jù)獲得，這些數(shù)據(jù)隨著隧道電流的增加而取自樣品上的新位置。最引人注目的結(jié)論是，在所有情況下，膜速度遵循cauchy-lorentz分布(即，具有無窮方差并且穩(wěn)定性指數(shù)為1的lévy穩(wěn)定分布)遠(yuǎn)優(yōu)于gaussian分布。

從圖24中還可看出，速度分布隨著隧道電流的增加而變寬。相同的趨勢在圖25中很明顯，該圖顯示了在該研究的整個范圍內(nèi)速度概率分布函數(shù)的fwhm隨隧道電流設(shè)定值的變化。由于掃描隧道顯微鏡隧道電流向膜提供了更多動能，因此分布的變寬與焦耳加熱一致(neek-amalmetal.nat.commun.2014,5,4962)。

彈性理論預(yù)測了獨(dú)立式石墨烯的振動模式；然而，該理論未提供關(guān)于在壓縮2d膜中發(fā)現(xiàn)的波紋的無序網(wǎng)絡(luò)下的隨機(jī)過程的信息。原子模擬可提供對觀察到的現(xiàn)象的見解。對于本文的分子動力學(xué)(md)模擬，制備含有10000個碳原子并且使邊界原子固定的預(yù)屈曲的向下彎曲的正方形膜(15×15nm²)。在lammps中使用airebo電勢進(jìn)行真空模擬。使用nosé-hoover恒溫器保持恒定溫度，并且使用1fs的時間步長對運(yùn)動方程進(jìn)行積分。首先從初始配置開始平衡系統(tǒng)0.5ns，然后使用從1ns的生產(chǎn)運(yùn)行得到的后續(xù)軌跡進(jìn)行分析。

中心原子在低溫(100k)下以10⁶個時間步長(1步/fs)的運(yùn)動，在固定邊界原子上方0.35nm的總高度處出現(xiàn)0.1nm的高度波動，如圖26所示。在較高溫度(3000k)下，發(fā)生明顯不同的情況。在同一時間尺度，隨機(jī)運(yùn)動導(dǎo)致整個膜從固定邊界原子上方到固定邊界原子下方的鏡像屈曲。圖28和圖29顯示了在圖26中標(biāo)記為(c)和(d)的相反構(gòu)型的膜的兩個快照。從向下彎曲到向上彎曲的長偏移指示lévy游走。實際上，如果圖26中的數(shù)據(jù)在短時間間隔內(nèi)取平均值以消除快速波動[圖26中的黑色曲線]，將獲得cauchy躍長分布，如圖27所示。石墨烯的極高頻率運(yùn)動的時間平均正是掃描隧道顯微鏡測量將產(chǎn)生的。對于中心原子的空間平均也獲得類似的cauchy分布，這在具有大于1nm的分辨率的任何實際測量中也會自然地發(fā)生。一種另外的模擬如圖30所示。此處，系統(tǒng)似乎在模擬的后半部分自發(fā)地振蕩。

這一大尺度運(yùn)動是石墨烯局部改變其總體曲率的結(jié)果(例如，從向下彎曲到向上彎曲的過渡)，而小尺度運(yùn)動則是膜的簡單振動而不發(fā)生膜的曲率的反轉(zhuǎn)?？稍诟邷啬M中跟蹤這一現(xiàn)象是如何發(fā)生的：隨機(jī)上下運(yùn)動有時在同一方向上疊加在一起，從而導(dǎo)致在固定邊界原子的另一側(cè)的另一種平衡構(gòu)型的較長偏移。鑒于在3000k下，4個此類事件在1ns內(nèi)發(fā)生，可以預(yù)測這些事件將在室溫下掃描隧道顯微鏡測量時多次發(fā)生(mrandvoteraf.j.chemphys.2000,112,9599)。因此，數(shù)據(jù)表明在不存在溫度梯度的情況下，可以發(fā)生自發(fā)的鏡像屈曲。

這些測量揭示了膜波動中未探索的空間域和時間域，對于膜的基本理解和技術(shù)應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的意義。獲得適當(dāng)理解后，可以有效地利用隨機(jī)膜波動。例如，從大型系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)動中收集能量是隨機(jī)納米諧振器的重要應(yīng)用(gammaitoniletal.rev.mod.phys.1998,70,223)。

通過調(diào)節(jié)速度分布(例如，通過改變隧道電流)，可激活某些過程并且停用其他過程。此外，在膜彎曲時，將改變局部應(yīng)變、化學(xué)反應(yīng)性和電荷分布，從而使系統(tǒng)做功。膜中的工程特定通道幾何結(jié)構(gòu)以及互補(bǔ)的棘輪式部件可形成小型人造lévy電機(jī)(haenggipandmarchesonif.rev.mod.phys.2009,81,387)。最后，對膜動力學(xué)的理解的進(jìn)步可幫助控制物體在膜上的運(yùn)動，這對于蛋白質(zhì)功能以及人工材料的自組織至關(guān)重要。

總之，使用點(diǎn)模式掃描隧道顯微鏡和分子動力學(xué)模擬研究了獨(dú)立式石墨烯膜的原子級波動的動力學(xué)。測量結(jié)果揭示了膜的隨機(jī)平面外運(yùn)動的豐富性，其表現(xiàn)出異常動力學(xué)和lévy游走的動力學(xué)變量特征的長尾平衡分布。還證明了使用掃描隧道顯微鏡可以控制波動膜的隨機(jī)特性。這與通過原子級分辨率觀察運(yùn)動的能力相結(jié)合，提供了研究新布朗運(yùn)動機(jī)制和測試各種異常運(yùn)輸模型的系統(tǒng)。總而言之，在實驗上和理論上證明2d材料中的屈曲事件可產(chǎn)生具有可調(diào)的lévy游走的人造晶體膜。最終，該研究提供了預(yù)測、控制甚至盡量減小各種系統(tǒng)中大范圍突變的發(fā)生的方法。

實例2

掃描隧道顯微鏡也可用于及時測量獨(dú)立式石墨烯隨時間的高度變化[圖14]。根據(jù)該信息，可計算不同時間下的速度以生成速度概率分布函數(shù)(pdf)。速度pdf可呈現(xiàn)出非gaussian形狀并且具有異常大的速度。另外，可通過計算高度-時間數(shù)據(jù)的自相關(guān)函數(shù)來找出高度-時間的模式[圖15]，并且可通過計算功率譜密度[圖16]找出主導(dǎo)頻率，結(jié)果表明可發(fā)生超低頻率。

本發(fā)明所固有的其他明顯的優(yōu)點(diǎn)對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。應(yīng)當(dāng)理解，某些特征和子組合是實用的，并且可以在不參考其他特征和子組合的情況下使用。這是權(quán)利要求書所設(shè)想的，并且處于權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。由于可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下實施本發(fā)明的許多可能的實施例，因此應(yīng)當(dāng)理解，在本文中闡述或在附圖中示出的所有內(nèi)容都應(yīng)被理解為例示性的，而不具有限制意義。

所附權(quán)利要求書的方法不限于本文所述的具體方法的范圍，這些方法旨在說明權(quán)利要求的一些方面，并且功能上等效的任何方法都旨在落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)。除本文示出和描述的那些方法以外，對方法的各種修改都旨在落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。此外，雖然僅具體描述了本發(fā)明所公開的某些代表性方法步驟，但是即使沒有具體敘述，方法步驟的其他組合也旨在落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。因此，本文可以明確地提及步驟、元件、部件或成分的組合或更少，但是，即使未明確說明，也包括步驟、元件、部件和成分的其他組合。