專利名稱：小型化壓電基的振動能量收集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種用于收集由暴露于主結(jié)構(gòu)的機(jī)械能和振動的壓電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的能量的緊湊的、小型化的設(shè)備和相應(yīng)的方法。實(shí)際上，主結(jié)構(gòu)可對應(yīng)于任何物理設(shè)備，但本技術(shù)尤其適合于與傳感器應(yīng)用的集成。
背景技術(shù)：
在許多傳感器應(yīng)用中，需要動力來操作相關(guān)的電子組件，然而由于維持問題、或由于空間和數(shù)量限制不能由常規(guī)裝置例如電池或燃燒過程來提供該動力，其經(jīng)常是不便的。就此而論，能夠?qū)崿F(xiàn)能搜集環(huán)境動力，即存儲在局部振動中的動力并將其轉(zhuǎn)換成有用電能的緊湊的、小型化的動力收集系統(tǒng)是有利的。如果產(chǎn)生該動力的相同技術(shù)可用作傳感器也將是有利的，這是因?yàn)檫@樣能夠大大簡化傳感器設(shè)計并減小整個封裝尺寸。
這種技術(shù)的應(yīng)用可以包括能用在振動機(jī)器上的遠(yuǎn)距離分布的后市場傳感器組，以提供用于感知以及例如射頻(RF)傳輸?shù)耐ㄐ诺淖怨╇妭鞲衅?。這種布置從安裝和保持的觀點(diǎn)來看是非常方便的。通過采用這種技術(shù)，利用不僅獨(dú)立供電而且獨(dú)立報告的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是可行的。
這種類型的動力收集器件還可用于地球物理探測或用作自然地球物理事件的報警/數(shù)據(jù)記錄器。在探測的情況下，來自能量源例如振動器的振動能量可轉(zhuǎn)換成電能并用于給RF傳輸數(shù)據(jù)提供動力。這將簡化地震記錄裝置的分布，因?yàn)槠鋵⒉恍枰笤O(shè)電纜。這種系統(tǒng)還可包括GPS接收器，以便在土地勘測期間從地震檢波器布置中去掉勘測的步驟。操作該裝置的動力可來自與物理載送該裝置和將其配置在勘測點(diǎn)上有關(guān)的振動以及由地震波產(chǎn)生的能量。在地球物理事件監(jiān)測的情況下，地震檢波器陣列遠(yuǎn)程放置在可能事件震中周圍并且在發(fā)生事件時開始發(fā)送信息。通過從傳輸系統(tǒng)中去掉電池，可以廉價地制備這些傳感器。
這種系統(tǒng)還可用作軍用或安全應(yīng)用中的報警器，其中由軍用或其它交通工具的振動產(chǎn)生的動力能喚醒傳感器并允許發(fā)送警告。這種器件還可用于給起搏器或可由佩戴者的運(yùn)動產(chǎn)生動力的其它入侵式健康監(jiān)測或健康支持系統(tǒng)提供動力。在所有的這些應(yīng)用中，振動譜和/或波形的研究還可用于提供關(guān)于系統(tǒng)健康的信息或用于識別特定的事件或甚至是特定的交通工具。
另一可能的應(yīng)用涉及輪胎和用于輪胎的傳感器。在許多內(nèi)輪胎傳感器組中，認(rèn)為需要連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。這需要考慮安全和性能原因。例如，雖然溫度和壓力在正常操作過程期間可能慢慢改變，但內(nèi)輪胎溫度和壓力監(jiān)測的實(shí)際優(yōu)點(diǎn)之一是在它們出現(xiàn)之前警告司機(jī)可能的災(zāi)難性故障。這種故障事件會以高速非常迅速地發(fā)展；因此需要更連續(xù)的監(jiān)測。美國專利No.5,749,984(Frey等人)公開了一種輪胎監(jiān)測系統(tǒng)和能夠?qū)⑦@種信息確定為輪胎監(jiān)測、輪胎速度和輪胎旋轉(zhuǎn)數(shù)的方法?？梢栽诿绹鴮＠鸑o.4,510,484(Snyder)中找到輪胎電子系統(tǒng)的另一實(shí)例，其涉及異常輪胎狀況警告系統(tǒng)。美國專利No.4,862,486(Wing等人)也涉及輪胎電子設(shè)備，尤其公開了與汽車用和載重的輪胎相結(jié)合使用的示例性轉(zhuǎn)數(shù)表。
而且在能使交通工具輪胎用作與許多交通工具控制系統(tǒng)，例如防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、轉(zhuǎn)向控制和牽引控制相交互的實(shí)時傳感器中存在公認(rèn)的優(yōu)點(diǎn)。在這種應(yīng)用中，關(guān)鍵是對信息進(jìn)行連續(xù)地傳輸，并且具有對相關(guān)控制系統(tǒng)的最小時間偏差。這種需要強(qiáng)制考慮連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸和給連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備提供動力的方法。為輪胎電子系統(tǒng)提供動力的典型解決方案對應(yīng)于使用非可再充電電池，其固有地將不便提供給輪胎使用者，因?yàn)檎_的電子系統(tǒng)操作依賴于周期性的電池替換。常規(guī)電池一般還包含環(huán)境不友好且存在廢棄關(guān)注問題的重金屬，尤其是以顯著數(shù)量使用時。更進(jìn)一步地，當(dāng)給以復(fù)雜級功能為特征的電子應(yīng)用提供動力時，電池易于很快耗盡它們的能量儲存。電池儲存耗盡在以例如從卡車車輪位置到卡車駕駛室中接收器的相對遠(yuǎn)的距離傳輸信息的電子系統(tǒng)中尤其常見。在這種考慮下，很明顯的是由于許多原因電池是不合需要的。因此本領(lǐng)域中主要發(fā)展是尋找從輪胎內(nèi)在的振動和變形源獲取動力的裝置。
由集成有輪胎結(jié)構(gòu)的電子系統(tǒng)提供的另一可能的能力相應(yīng)于對商業(yè)車輛應(yīng)用的資產(chǎn)跟蹤(asset tracking)和性能特性。商業(yè)卡車車隊(duì)、飛行器和推土機(jī)/采礦車輛都是能利用自供電輪胎電子系統(tǒng)和相關(guān)的信息傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)的可行的工業(yè)。自供電傳感器能確定車輛中的每個輪胎都行進(jìn)的距離，并由此有助于這種商業(yè)系統(tǒng)的維護(hù)計劃。對于例如那些涉及土地-采礦設(shè)備的更昂貴的應(yīng)用而言，可最優(yōu)化車輛位置和性能。車輛的整個車隊(duì)能利用RF標(biāo)記傳輸進(jìn)行跟蹤，其示例性的方面公布在美國專利No.5,457,447(Ghaem等人)中。
這種集成的輪胎電子系統(tǒng)已經(jīng)通過多種技術(shù)和不同的動力產(chǎn)生系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)供電。用于由輪胎移動產(chǎn)生能量的機(jī)械特性的實(shí)例在美國專利No.4,061,200(Thompson)和3,760,351(Thomas)中公布。這種實(shí)例提供通常不優(yōu)選為結(jié)合現(xiàn)代輪胎應(yīng)用的大容量的復(fù)雜系統(tǒng)。用于為輪胎電子系統(tǒng)提供動力的另一選擇公布在美國專利No.4,510,484(Snyder)中，其涉及在輪胎的放射狀中心線周圍對稱配置的壓電簧片(reed)電源。
壓電材料的某些優(yōu)點(diǎn)早已被認(rèn)識到。然而，這種技術(shù)在不斷改進(jìn)，因此有可能提供利用具有改進(jìn)的工作能力的壓電材料的應(yīng)用。在壓電技術(shù)中最近新發(fā)展的實(shí)例在美國專利No.5,869,189(Hagood，IV等人)和6,048,622(Hagood，IV等人)中提供，涉及用于結(jié)構(gòu)控制的合成物。目前公布的技術(shù)涉及壓電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使得壓電動力產(chǎn)生裝置能夠?yàn)榱四芰渴占哪康谋恍⌒突?，并且在某些情況下同時用作傳感器，并且實(shí)質(zhì)上可以與任何振動產(chǎn)生裝置或結(jié)構(gòu)集成為一體以提供自供電系統(tǒng)和裝置。
前述美國專利的所有公開都被并入本申請中用作參考。雖然已開發(fā)了多種動力產(chǎn)生系統(tǒng)，但沒有出現(xiàn)通常包含如在下文中根據(jù)主題技術(shù)提出的所有所需特性的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于所認(rèn)識的現(xiàn)有技術(shù)中遇到的和本主題提出的特征，已開發(fā)了用于收集振動能量的改進(jìn)的器件、系統(tǒng)和方法。利用壓電技術(shù)將機(jī)械應(yīng)力和與機(jī)械引發(fā)振動相關(guān)的張力轉(zhuǎn)換成電荷，可收集該電荷以給多種設(shè)備提供工作功率。
根據(jù)所公開技術(shù)的某些方面，提供了用于制造這種器件的小型化設(shè)備、系統(tǒng)和方法，所述器件能夠從對采用該器件的環(huán)境而言內(nèi)在的振動能源產(chǎn)生動力。根據(jù)本技術(shù)的器件可以以緊湊形式制造，并且其尺度是從中等尺度到微尺度。用于制造本技術(shù)的器件的方法與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的后端一致，能夠使這些動力-收集器直接集成到復(fù)雜的CMOS型工藝中以便能夠開發(fā)芯片上系統(tǒng)。用于制造本技術(shù)器件的可選方法還包括精度微加工和鑄造。微加工提出了提供這種器件的前景，該器件被小型化到這種程度，即，功率發(fā)生器可以用其準(zhǔn)備好貼附到封裝的集成電路上的方式進(jìn)行封裝。甚至能夠?qū)纹瑒恿κ占骷驼{(diào)節(jié)線路直接安裝到集成電路的管芯上。
根據(jù)所公開技術(shù)的更具體的方面，本主題的一個方面是提供自供電的電子組件。這種電子組件是通過從集成的壓電結(jié)構(gòu)收集能量自供電的，并且與眾多電子應(yīng)用一致。一個示例性電子應(yīng)用涉及一種輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，其被設(shè)計成測量和傳送關(guān)于輪胎條件例如壓力和溫度的信息，以及例如輪胎旋轉(zhuǎn)數(shù)或通常的輪胎識別信息和變量的其它信息。
本技術(shù)的某些示例性電子應(yīng)用的另一方面涉及地球物理監(jiān)測系統(tǒng)，其被設(shè)計成監(jiān)測和/或測量由自然出現(xiàn)事件引發(fā)的或可由車輛或其它機(jī)器的移動引發(fā)的地面振動。這種應(yīng)用可能涉及提供自供電的監(jiān)測器件，其被設(shè)計成監(jiān)測由地震、火山活動或其它自然出現(xiàn)地質(zhì)事件引發(fā)的地面振動。應(yīng)用還可能涉及提供自供電的監(jiān)測器件，用于檢測地面和由車輛、機(jī)器引發(fā)的其它振動、或關(guān)于保護(hù)、安全或軍事關(guān)系的活體。
本技術(shù)的另一示例性應(yīng)用的又一其它方面涉及自供電的病人磨損(patient worn)或植入的醫(yī)用器件。自供電的起搏器和健康監(jiān)測器件可通過收集由病人/佩帶者的運(yùn)動產(chǎn)生的能量供電。
本主題電子系統(tǒng)和本技術(shù)的專用動力-產(chǎn)生器件的多種特征和其它方面提供了多個優(yōu)點(diǎn)。所公開的技術(shù)提供了不依賴于電池替換的自供電電子系統(tǒng)。盡管電池和電池工作器件仍可與本主題的多個方面結(jié)合，但根據(jù)本技術(shù)消除了關(guān)于由電池單獨(dú)供電的電子器件的許多復(fù)雜性。
本主題的另一方面是關(guān)于能夠通過由本技術(shù)提供的動力源進(jìn)行工作的電子設(shè)備的類型和數(shù)量存在更少的限制。由常規(guī)方法而不是根據(jù)所公開的壓電技術(shù)供電的電子設(shè)備一般限制于超低功率器件。根據(jù)本公開技術(shù)的器件不必受到這種極端的功率限制。當(dāng)可能利用更多組件和/或更高級設(shè)備時，本公開技術(shù)的這個方面進(jìn)一步便于自供電電子設(shè)備更強(qiáng)大的功能性。
本主題的另一方面是可以根據(jù)多種現(xiàn)有應(yīng)用使用所公開的用于產(chǎn)生功率和利用這種功率的系統(tǒng)和方法。測量能力、監(jiān)測和警告系統(tǒng)、車輛反饋系統(tǒng)和資產(chǎn)跟蹤潛力可用于例如商業(yè)卡車車隊(duì)、飛機(jī)和采礦/推土機(jī)設(shè)備的應(yīng)用。
在本主題的一個示例性實(shí)施例中，壓電基振動能量收集器由一對彼此相對布置的單壓電體(piezoelectric unimorph)形成，該對單壓電體單獨(dú)雙倍結(jié)合到相對束并共用公共檢驗(yàn)塊。
在本主題的另一示例性實(shí)施例中，壓電基振動能量收集器通過將多個網(wǎng)絡(luò)狀單體(unimorph)結(jié)合在共用的檢驗(yàn)塊的每一側(cè)上形成。該結(jié)構(gòu)提供了用于檢驗(yàn)塊的更多穩(wěn)定性，同時，使聚集的振動能量收集量加倍。
本主題的其它實(shí)施例對應(yīng)于通過將運(yùn)動敏感電子組件與基本的壓電基振動能量收集器相結(jié)合而用于增強(qiáng)的能量收集的方法。這種運(yùn)動敏感電子組件可包括電容器、磁感應(yīng)器件和壓電器件。
本主題的另一實(shí)施例對應(yīng)于通過使用利用雙作用技術(shù)的機(jī)械的、電的或電磁的彈簧而用于耦合能量的方法。
最后，本技術(shù)的其它實(shí)施例對應(yīng)于以平面形式實(shí)施本技術(shù)的方法，該平面形式適用于利用微加工技術(shù)、光刻技術(shù)、剝落工藝和晶片鍵合技術(shù)的制備。
本主題的其他方面和優(yōu)點(diǎn)被提出，或通過此處的詳細(xì)描述這些方面和優(yōu)點(diǎn)對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。而且，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步意識到，對這里特別示出的、涉及的和論述的特征和步驟的修改和改變可以在本發(fā)明的多種實(shí)施例和使用中進(jìn)行實(shí)踐，而不背離本主題的精神和范圍。改變可包括、但不限于那些示例的、引用的或論述的等效方式、特征或步驟的代替物，以及功能的、操作的或位置反轉(zhuǎn)的多種部件、特征、步驟等。
進(jìn)一步地，要理解，本主題的不同實(shí)施例以及不同的優(yōu)選實(shí)施例可包括目前公開的特征、步驟或元件的多種組合或結(jié)構(gòu)，或它們的等效物(包括未清楚地示于圖中或在圖的詳細(xì)描述中陳述的其特征、部件或步驟或結(jié)構(gòu)的組合)。在該概括部分中不必明確表達(dá)的本主題的其他實(shí)施例，可包括和并入在以上所概括目的中引用的特征、組件或步驟和/或在本申請中論述的其它方式的其它特征、組件或步驟方面的多種組合。在閱讀說明書剩余部分的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將更好地意識到這些實(shí)施例的特征和方面以及其它。


在本說明書中提出了本主題的全面的和允許的公開，包括對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員最好的模式，說明書參考附圖，其中圖1(a)和1(b)分別是示例本主題的工作特性的雙箝位單壓電體(unimorph)布置的松弛和變形(strained)結(jié)構(gòu)關(guān)系的表示；圖1(c)是圖1(a)和1(b)中所示例的結(jié)構(gòu)的平面圖表示；圖1(d)示例了根據(jù)本技術(shù)的雙作用能量收集器的第一示例性實(shí)施例；圖2(a)示例了根據(jù)本主題的多個單壓電體的示例性網(wǎng)絡(luò)狀布置的平面圖；圖2(b)示例了圖2(a)中所示例的網(wǎng)絡(luò)狀布置的側(cè)視圖；圖3(a)和3(b)分別是示例本技術(shù)的工作特性并包括改進(jìn)的能量收集的電容性元件的雙箝位板狀單壓電體布置的松弛和變形結(jié)構(gòu)的表示；圖3(c)示例了采用根據(jù)本技術(shù)的壓電和電容性元件的第三示例性雙作用能量收集器系統(tǒng)；圖4(a)和4(b)示例了根據(jù)本技術(shù)并采用適應(yīng)檢驗(yàn)塊加速的彈簧效應(yīng)的雙作用能量收集器的第四示例性實(shí)施例；圖5(a)、5(b)和5(c)示例了具有可選電容性能量收集元件的雙作用能量收集器的第五示例性實(shí)施例；
圖6(a)和6(b)分別示例了本技術(shù)的第六示例性實(shí)施例的平面圖和截面圖，其示出了適用于微電子機(jī)械系統(tǒng)中實(shí)施的平面狀結(jié)構(gòu)；和圖7示例了同樣證明雙作用能力的本技術(shù)的第七示例性實(shí)施例。
重復(fù)使用貫穿本說明書和附圖的附圖標(biāo)記指的是代表本發(fā)明的相同或相似的特征或元件。
具體實(shí)施例方式
如在本發(fā)明部分的發(fā)明內(nèi)容中所論述的，本主題尤其涉及用于收集利用壓電器件的機(jī)械振動產(chǎn)生的能量的改進(jìn)系統(tǒng)和方法，以給多種電子系統(tǒng)提供工作動力。
參考圖1(a)、1(b)和1(c)，示例了一種根據(jù)本主題的動力收集器10的第一示例性實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)。所示例的是一種雙鉗位單壓電體20，其對應(yīng)于結(jié)合到彈簧30上的一層壓電材料32，該組合由一對與可以是陶瓷晶片的支承結(jié)構(gòu)54有關(guān)的支承彈簧50、52支承。壓電材料32示例為與彈簧30共同擴(kuò)張，然而當(dāng)壓電材料32可對應(yīng)于比剛剛示例的更小的面積時這樣是不需要的。壓電材料32可對應(yīng)于壓電單晶體、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋯酸鑭鉛(PZLT)或具有壓電性質(zhì)的其它材料。彈簧30對應(yīng)于非壓電材料并可包括如黃銅、鎳Ni、鎳鈦NiTi合金、彈簧鋼、鐵鎳FeNi合金等材料。應(yīng)當(dāng)清楚地明白，本技術(shù)可用的單壓電體的組件的實(shí)際形式不是本主題的限制因素，而是當(dāng)這種單壓電體涉及動力收集結(jié)構(gòu)時本主題主要與這種單壓電體的多種布置有關(guān)。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步注意到，出于本公開的目的，認(rèn)為術(shù)語“單壓電體”和“單體”是同義的。
繼續(xù)參考圖1(a)，示例了動力收集器10的松弛態(tài)，而圖1(b)示例了出于其偏斜或變形狀態(tài)的動力收集器10，由施加到檢驗(yàn)塊40并因此到單壓電體引發(fā)的振動力引起狀況。在其松弛態(tài)，動力收集器10的每個組件都采用中性狀態(tài)。支承彈簧50、52是直的，對支承彈簧30不產(chǎn)生力，同時支承彈簧30采用直線的、或如所示的略彎曲的中性力位置。
當(dāng)動力收集器10如圖1(b)所示發(fā)生變形時，該變形以與壓電器件制造和設(shè)計領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的方式引發(fā)單壓電體20中的電荷分離。另外，作為由檢驗(yàn)塊40將力施加到易于產(chǎn)生試圖將系統(tǒng)返回到圖1(a)所示的松弛位置的回復(fù)力的位置中的結(jié)果，支承彈簧50、52以及彈簧30被彎曲。持續(xù)的外部引發(fā)的振動易于導(dǎo)致系統(tǒng)在圖1(a)的松弛位置和圖1(b)的變形位置之間交替，由此在壓電元件32上產(chǎn)生應(yīng)力并隨即產(chǎn)生能量。
單壓電體20可對應(yīng)于單晶單體或可利用來源于南卡羅來納的克萊姆森的克萊姆森大學(xué)的1993“RAINBOW”教導(dǎo)的氧化還原技術(shù)進(jìn)行制備，該制備技術(shù)已在由Lang和Li在Korean Physical Society雜志、第32卷、1998年2月的論文“Rainbow CeramicsProcessing Techniques；Piezoelectric，Dielectric and Pyroelectric Properties；and PolarizationDistribution as Determined with SLIMM”中進(jìn)行了描述，出于多種目的將其并入本文。
圖1(d)示例了根據(jù)本技術(shù)的雙作用動力收集器60的第一示例性實(shí)施例。雙作用動力收集器60組合了圖1(a)和1(b)中所示的松弛和變形結(jié)構(gòu)關(guān)系的屬性。尤其是，圖1(d)中所示的雙作用動力收集器60借助公共檢驗(yàn)塊40將兩個動力收集器20、20′耦接在一起，其一個可處于松弛狀態(tài)，而另一個可處于變形狀態(tài)。動力收集器20、20′分別由在使所收集能量的量加倍的結(jié)構(gòu)中以彼此機(jī)械相反的支承彈簧50、52和50′、52′支承。
本主題的一個顯著方面涉及描述為“平衡相對”的概念。動力收集器20、20′耦合至公共檢驗(yàn)塊40，以便當(dāng)檢驗(yàn)塊位于其行進(jìn)的中點(diǎn)時，由動力收集器對放置在公共檢驗(yàn)塊40上的力基本相等。輕微的不平衡示于圖1(d)中，小量的變形示于能量收集器20′的輕微彎曲的支承彈簧50′、52′中，而相對的能量收集器20的支承彈簧50、52是松弛的，如它們的直結(jié)構(gòu)所示。
平衡布置的一個優(yōu)點(diǎn)在于可以使用隨著環(huán)境引發(fā)的脈沖(impulse)而來的小且不穩(wěn)定的振動來產(chǎn)生近乎連續(xù)的能量流。利用在此描述的所有實(shí)施例這種布置能夠得到有益使用，尤其是如果將能量收集器設(shè)計成在將寄生的振動能量轉(zhuǎn)換成電能的系統(tǒng)的主要諧振(resonance)處或附近工作。采用有助于系統(tǒng)寬帶能量收集能力的低彈簧常數(shù)支承結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步增強(qiáng)這種設(shè)計。
圖2(a)是根據(jù)本主題的動力收集器的第二實(shí)施例的平面圖，而圖2(b)是根據(jù)本主題的動力收集器的第二實(shí)施例的側(cè)視圖，其中多個網(wǎng)絡(luò)狀單壓電體20借助于支承元件55耦接至公共檢驗(yàn)塊42。多個單體的這種網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)不僅提供了顯著的更高的能量收集能力，而且提供了檢驗(yàn)塊42的改進(jìn)的機(jī)械穩(wěn)定和更大的系統(tǒng)設(shè)計靈活性。
圖2(b)中所示的本主題的實(shí)施例代表與圖1(d)的實(shí)施例相似的雙作用系統(tǒng)。然而，圖2(b)實(shí)施例的另一個重要方面在于，當(dāng)檢驗(yàn)塊42位于其行進(jìn)的中點(diǎn)時，以將單體(unimorph)放置在平衡位置、也就是具有幾乎相等的力的這種方式，使兩組單體位于檢驗(yàn)塊42的任一側(cè)上。如同圖1(d)中所示的本技術(shù)的實(shí)施例那樣，該實(shí)施例還在平衡狀態(tài)下工作，以便可以使用隨脈沖而來的小且不穩(wěn)定的振動來產(chǎn)生幾乎連續(xù)的能量流。
隨著足夠大以在單體20的一個中產(chǎn)生偏斜的脈沖之后，在用于驅(qū)動檢驗(yàn)塊42并使構(gòu)成相對組單體的單體偏斜的相對單體組中的一個中產(chǎn)生承載彈簧效應(yīng)(loaded spring effect)。由于系統(tǒng)幾乎平衡的狀態(tài)，只需要提供用于克服檢驗(yàn)塊慣性的足夠的額外振動能量來保持這種系統(tǒng)振蕩。根據(jù)本主題的這種形式的動力收集器尤其有利之處在于，可以將該布置設(shè)計成在系統(tǒng)的主要諧振處或附近工作，動力收集器80由所述系統(tǒng)將寄生的振動能量轉(zhuǎn)換成電能。而且，通過提供低彈簧常數(shù)支承，提供了寬帶能量收集能力。
現(xiàn)在將參考圖3(a)、3(b)和3(c)描述本主題進(jìn)一步的實(shí)施例。更具體地，如在前所提及的，通過根據(jù)本主題的器件和系統(tǒng)的工作從環(huán)境引發(fā)的振動收集能量的一個機(jī)構(gòu)包括在對應(yīng)于單結(jié)構(gòu)的有源部分的壓電材料內(nèi)變形產(chǎn)生的電荷分離。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可利用電容性效應(yīng)收集另外的能量。此外，在圖3(a)、3(b)和3(c)中所示的結(jié)構(gòu)中，提供一個或多個電容電極80、82，并如所示的，以形成單獨(dú)電容的電極相對于板狀單體的移動相互移動的這種方式，電容電極80、82被耦接至一個或多個板狀單體和單體支承結(jié)構(gòu)。
盡管圖3(a)、3(b)和3(c)中所示的單體被示為板狀單體，但應(yīng)當(dāng)意識到，單體22仍然可以實(shí)施成其它結(jié)構(gòu)。例如，除所示的板狀結(jié)構(gòu)外，單體可實(shí)施為如同在前具有共同擴(kuò)張的壓電部分或壓電部分小于支承的實(shí)施例那樣的束狀單體或盤狀單體。
具體參考圖3(a)和3(b)，將進(jìn)一步說明圖3(c)中所示的本技術(shù)的實(shí)施例的工作概念。如圖3(a)和3(b)中所示的，示例了借助支承彈簧元件57將板狀單體22連接到支承結(jié)構(gòu)54′。如關(guān)于圖1(a)-1(d)中所示的實(shí)施例在前應(yīng)注意到的，支承結(jié)構(gòu)54′可以是陶瓷晶片或任何其它適合的支承結(jié)構(gòu)。耦接至單體22的一個表面的是檢驗(yàn)塊48，而電容器的一個電極80被連接至單體22的另一側(cè)。電容器的第二電極82被連接到支承結(jié)構(gòu)54′。如圖3(a)和3(b)中所示的，當(dāng)單體22在檢驗(yàn)塊48的影響下彎曲時，電容器電極80和82相對于彼此移動。
在該結(jié)構(gòu)中，當(dāng)電荷隨著壓電材料變形而分離時，電荷轉(zhuǎn)移到電容的相對電極。當(dāng)變形的單體松弛時，它使電容器電極分別增加所存儲電荷的能量。利用耦接至單體和電容器組合的適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)線路，可以使用該組合的器件來產(chǎn)生電荷，并且當(dāng)形成帶電電容器的板80、82與單體的移動有效分離時，同時通過提取另外的能量增加其能量。
圖3(c)示例了本主題的雙作用結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例，其采用圖1(d)和2(b)中所示的本主題板狀單體反射的實(shí)施例，但包括直接對應(yīng)于關(guān)于圖3(a)和3(b)在前描述的功能等效元件的電容性元件80、82、80′和82′。從關(guān)于圖1(d)和2(b)在前論述的雙作用結(jié)構(gòu)得出的有利方面也可從圖3(c)所示的本主題的示例性實(shí)施例得出，由于另外的電容性元件其具有另外的能量收集能力的附加增強(qiáng)。
這里應(yīng)當(dāng)注意，電容性元件由于它們的運(yùn)動敏感工作特性部分而能夠部分地參與另外能量的收集。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可容易實(shí)現(xiàn)使用其它類型的運(yùn)動敏感元件。例如，電容器板可由線圈和磁布置結(jié)構(gòu)代替，以便檢驗(yàn)塊相對于支承結(jié)構(gòu)的的移動將導(dǎo)致永久磁鐵移入和移出線圈。很清楚采用這種移動來收集另外的能量。以相似的方式，另外的壓電元件可以安裝在移動的檢驗(yàn)塊和固定的支承結(jié)構(gòu)之間，以允許壓電元件隨著檢驗(yàn)塊移動而彎曲。仍舊可通過這種結(jié)構(gòu)收集另外的能量。
圖4(a)和4(b)示例了與在前提出的實(shí)施例類似的本主題的另一個示例性實(shí)施例，相似之處在于這些實(shí)施例也是雙作用的，但不同之處在于單壓電體被配置成在不同程度的彎曲之間轉(zhuǎn)變，而是在凹和凸形式之間來回轉(zhuǎn)變，如通過在前描述的圖1(a)、1(b)、3(a)和3(b)與當(dāng)前示例的圖4(a)和4(b)相比所容易看到的那樣。圖4(a)和4(b)中所示的本主題的實(shí)施例采用成對的彈簧28、28′，兩者都偏置成有變平的傾向，并且在彈簧28、28′上面分別安裝一對壓電器件130、130′，由此形成相對的一對單體。如此形成的一對相對的單體在其中心點(diǎn)處共同耦接至檢驗(yàn)塊120。彈簧28、28′中每一個的末端安裝在滑動支承112、112′上，滑動支承112、112′還耦接一對彈簧110、110′。
如圖4(a)所示，彈簧110、110′被偏置成使彈簧28、28′的末端向彼此拖拉以便平衡由彈簧28、28′和彈簧100、100′組成的整個系統(tǒng)，從而使公共耦接的檢驗(yàn)塊120呈現(xiàn)中心、中立的狀態(tài)。一旦出現(xiàn)外部引發(fā)的振動，檢驗(yàn)塊120就可在所示箭頭的方向上移動，以允許彈簧28′移動到優(yōu)選的延伸(更接近平坦)位置，同時迫使彈簧28達(dá)到所示的更壓縮的姿勢。當(dāng)彈簧28、28′彎曲時，連接的壓電器件130、130′同時彎曲，并由此產(chǎn)生可經(jīng)由適當(dāng)?shù)碾娮泳€路(未示出)收集的能量。這種設(shè)計的一方面是壓電器件130、130′安裝于其上的彈簧28、28′不再單獨(dú)確定器件的機(jī)械響應(yīng)。該結(jié)構(gòu)的另一方面來自于以下理解，即，如相對于所示的簡單機(jī)械彈簧，可提供用于平衡彈簧28、28′的彈力的彈簧100、100′作為電的、磁的或電磁的器件。如同在前實(shí)施例一樣，與使用低彈簧常數(shù)彈簧耦接的雙作用元件的“平衡相對”，提供了寬帶能量收集能力。
圖5(a)、5(b)和5(c)示例了本主題的雙作用結(jié)構(gòu)的另一個實(shí)施例。在該實(shí)施例中，各具有分別安裝于其上的壓電器件210、212、214、216的兩對彈簧200、202和204、206以與公共檢驗(yàn)塊230平衡相對結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行配置。如圖5(a)所示，如參考圖4(a)和4(b)在前論述的彈簧28、28′那樣，偏置彈簧200、202和204、206中的每一個都被偏置成傾向于平坦位置。如所配置的，當(dāng)彈簧200-206安裝在與框架220有關(guān)的檢驗(yàn)塊230和各個支承元件222、224之間時，彈簧200-206中的每一個都被輕微壓縮。
一旦由外部引發(fā)的振動能量的施加引起檢驗(yàn)塊230的移動，檢驗(yàn)塊230將如圖5(b)和5(c)所示來回振蕩，導(dǎo)致彈簧對200、202和204、206輪流壓縮和釋放。記住，這些彈簧的每一個都已經(jīng)安裝在壓電器件(未示于圖5(b)和5(c)中)上，可基于它們與它們的支承彈簧同時出現(xiàn)的彎曲和壓電器件由這種彎曲產(chǎn)生的電荷，通過這種壓電器件從引發(fā)的振動收集能量。仍舊利用增加適合的電子線路，可容易地收集這種能量，如所希望的那樣。
在圖5(a)-5(c)中所示的還有安裝在支承結(jié)構(gòu)222、224和檢驗(yàn)塊230上的導(dǎo)電元件240、242、244和246的任選內(nèi)含物。這些元件組合以形成以與在前論述的本主題的實(shí)施例相似的方式使用的電容器，以有助于通過帶電電容器中電極的強(qiáng)迫分離收集另外的能量，從而從此處收集能量。
如在前注意到的，可以采用其它類型的運(yùn)動敏感電子組件代替所論述的電容器元件。例如，電極板242、246可用永久磁體代替，而電極板240、246用導(dǎo)電線圈代替，所述導(dǎo)電線圈可配置成使得永久磁體移入和移出導(dǎo)電線圈以產(chǎn)生另外的能量。還可預(yù)計運(yùn)動敏感元件的其它結(jié)構(gòu)包括另外的壓電元件，其被配置成隨著環(huán)境引發(fā)的檢驗(yàn)塊振動而彎曲。
圖6(a)和6(b)分別示例了本主題的示例性平面狀實(shí)施例的平面圖和截面圖。在該示例性實(shí)施例中，鏡像互相交叉梳狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生雙作用，“平衡相對”結(jié)構(gòu)被布置成使得每個互相交叉梳狀結(jié)構(gòu)400的一半在檢驗(yàn)塊440的影響下朝著由框架420保持在適當(dāng)位置的梳狀結(jié)構(gòu)的固定部分410移動和遠(yuǎn)離所述固定部分410。固定到框架420的支承元件430支承每個梳的可移動部分400。另外，檢驗(yàn)塊440可提供有壓電層，以基于可移動梳狀元件的移動產(chǎn)生電荷。在該實(shí)施例中，可使用由梳狀結(jié)構(gòu)的平坦表面形成的電容器的板來增加由壓電層產(chǎn)生的電荷的能量。這種能量的增加將隨著彈簧和/或振動能量使板分開而出現(xiàn)。
與利用用于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)類型應(yīng)用的許多薄膜壓電材料相關(guān)的問題之一是壓電薄膜沉積工藝與硅器件工藝的不相容性。這些缺陷中的一些包括硅(Si)擴(kuò)散到壓電膜中，其損害了膜還原(filmreducing)或破壞壓電性質(zhì)和沉積的高溫，所述沉積的高溫需用于產(chǎn)生具有可接受的壓電功能的薄膜，這樣的溫度與后端硅器件制造工藝的熱預(yù)算(budget)不相容。
基于用于MEMS應(yīng)用的壓電膜的器件的其它缺陷包含蝕刻選擇性和布圖。這些問題使得這種器件的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而昂貴，一般需要使用特殊(exotic)材料系統(tǒng)和子標(biāo)準(zhǔn)(son-standard)制造工藝。壓電薄膜的另一問題是大部分沉積技術(shù)產(chǎn)生多晶層，其與單晶壓電材料相比具有降低的電和機(jī)械性能。使用壓電薄膜的決定性缺陷是膜通常是機(jī)械易碎的事實(shí)。另一方面，MEMS器件經(jīng)常被設(shè)計用于相當(dāng)大的應(yīng)力。基于這些考慮，對能夠克服這種器件中的應(yīng)力限制的制備方法進(jìn)行考慮是有利的。
為了解決這些問題，本主題公開了一種方法，由此這種器件可利用標(biāo)準(zhǔn)的濕法化學(xué)蝕刻、標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的剝落工藝和標(biāo)準(zhǔn)的晶片鍵合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)還提供了制備機(jī)械有利的單晶/金屬單體的可能性，具有引發(fā)內(nèi)應(yīng)力以機(jī)械地增強(qiáng)壓電層的熱膨脹系數(shù)(CTE)。這種方式的壓電層機(jī)械增強(qiáng)能夠使它們經(jīng)受得住大的機(jī)械偏斜。
現(xiàn)在參考圖7，其示例了本主題的另一個雙作用實(shí)施例。在圖7所示的實(shí)施例中，示例了由彈簧700、720和740組成的三個單體，每個具有分別固定到彈簧700、720和740上的壓電器件710、730和750。彈簧700和720固定在一端并由支承元件770支承，而彈簧740由彈簧700和720的每個的相對末端支承。在鄰接彈簧700和720的位置將另外的支承元件780、790固定到支承件770上，如分別所示的，使得由彈簧700、720由于它們的自然趨向于伸直而產(chǎn)生的力將沿著彈簧740中心部分的長度和方向轉(zhuǎn)變成橫向力。沒有支承結(jié)構(gòu)780、790，彈簧700、720將簡單變直并垂直移動彈簧740進(jìn)一步高于支承元件700。由于彈簧740自然趨向于伸直，其提供了向外的趨向于反作用由彈簧700和720產(chǎn)生的內(nèi)力的平衡力。
將檢驗(yàn)塊800固定到彈簧740的下側(cè)。以該方式，環(huán)境引發(fā)的振動將趨向于迫使彈簧740朝著支承元件770向下，不僅導(dǎo)致連接的壓電元件750彎曲，而且產(chǎn)生彈簧700、720以及它們相關(guān)的壓電元件710、730的彎曲。于是可采用連接至三個壓電元件的適當(dāng)配置的線路，以通過由三個壓電元件710、730、750的彎曲收集電荷而從環(huán)境引發(fā)的振動收集能量。
如同在前示例的實(shí)施例，圖7中所示的實(shí)施例可選地包括分別連接到檢驗(yàn)塊800和支承件770的電容器形成的電極810、820，如所示的那樣?？捎门c在前描述的與壓電元件的功能相一致的方式使用這種電極，以提供增強(qiáng)能量收集的能力。應(yīng)當(dāng)記住，可采用包括線圈和磁體結(jié)構(gòu)以及其他壓電元件的其他技術(shù)來代替電容器形成的元件810、820以幫助收集由環(huán)境引發(fā)的振動而來的其他能量。
雖然已關(guān)于其具體實(shí)施例詳細(xì)地描述了本主題，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，一旦獲得前述的理解就容易產(chǎn)生對這種實(shí)施例的改變、變形和等效物。因此，本公開的范圍是示例性的，而不用于限制，并且該主題公開不排除包含對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言顯而易見的本主題的這種修改、變形和/或附加。
權(quán)利要求
1.一種能量收集設(shè)備，用于收集環(huán)境固有振動能量并將該振動能量轉(zhuǎn)換成電能，包括單壓電體；支承結(jié)構(gòu)，其固定所述單壓電體的至少一部分防止沿著至少一個軸的相對運(yùn)動；和檢驗(yàn)塊，其耦接至所述單體的第二部分；由此環(huán)境固有振動能量產(chǎn)生檢驗(yàn)塊的移動和隨之而來單壓電體的移動，由此通過所述單壓電體產(chǎn)生電能。
2.如權(quán)利要求1所述的能量收集設(shè)備，進(jìn)一步包括耦接至所述單壓電體中的一個的至少一個運(yùn)動敏感電氣元件和用于增強(qiáng)所述能量收集設(shè)備的能量收集能力的所述檢驗(yàn)塊。
3.如權(quán)利要求2所述的能量收集設(shè)備，其中運(yùn)動敏感電氣元件包括電容器，由此所述電容器的電容量值依賴于環(huán)境固有振動能量的變化。
4.如權(quán)利要求2所述的能量收集設(shè)備，其中支承結(jié)構(gòu)包括低彈簧常數(shù)彈簧元件。
5.如權(quán)利要求2所述的能量收集設(shè)備，其中運(yùn)動敏感電氣元件包括機(jī)械地耦接至所述單壓電體的至少一個第二單壓電體。
6.如權(quán)利要求5所述的能量收集設(shè)備，其中所述至少一個第二單壓電體相對于所述單壓電體被機(jī)械耦接，由此產(chǎn)生雙作用能量收集設(shè)備。
7.如權(quán)利要求5所述的能量收集設(shè)備，其中所述單壓電體和所述至少一個第二單壓電體兩者都包括網(wǎng)絡(luò)狀連接在一起的多個單壓電體。
8.如權(quán)利要求5所述的能量收集設(shè)備，其中所述至少一個第二單體與所述單壓電體一起機(jī)械耦接至所述檢驗(yàn)塊。
9.如權(quán)利要求8所述的能量收集設(shè)備，其中所述單壓電體和所述至少一個第二單壓電體每個都具有第一和第二相對的末端部分，并且所述能量收集設(shè)備進(jìn)一步包括一對彈簧元件，各自耦接至所述單壓電體和所述至少一個第二單壓電體的所述相對的末端部分；和其中所述支承結(jié)構(gòu)允許所述單壓電體和所述至少一個第二單壓電體的兩個末端部分在至少一個公共軸上相對運(yùn)動。
10.如權(quán)利要求1所述的能量收集設(shè)備，其中所述單壓電體和所述支承結(jié)構(gòu)在公共平面上被對準(zhǔn)。
11.如權(quán)利要求3所述的能量收集設(shè)備，其中所述單壓電體、所述支承結(jié)構(gòu)和所述電容器在公共平面上被對準(zhǔn)。
12.如權(quán)利要求11所述的能量收集設(shè)備，其中所述電容器包括一對平面的互相交叉的梳狀電極。
13.一種雙作用能量收集設(shè)備，用于收集環(huán)境固有振動能量并將該振動能量轉(zhuǎn)換成電能，包括第一和第二對束狀單壓電體，每對單體的每個單體具有第一末端和第二末端；縱向延伸的檢驗(yàn)塊；和支承框架，其圍繞所述第一和第二對束狀單壓電體和所述縱向延伸的檢驗(yàn)塊，其中第一和第二對單體的每個單體的第一末端固定到所述檢驗(yàn)塊的相對側(cè)，并且第一和第二對單體的每個單體的第二末端固定到所述支承框架。
14.如權(quán)利要求13所述的用于收集環(huán)境固有振動能量并將該振動能量轉(zhuǎn)換成電能的雙作用能量收集設(shè)備，進(jìn)一步包括耦接至所述檢驗(yàn)塊和所述支承框架的至少一個運(yùn)動敏感電氣元件，由此所述運(yùn)動敏感電氣元件與所述第一和第二對單體共同協(xié)作以幫助收集能量。
15.如權(quán)利要求14所述的用于收集環(huán)境固有振動能量并將該振動能量轉(zhuǎn)換成電能的雙作用能量收集設(shè)備，其中所述運(yùn)動敏感電氣元件包括電容器。
16.一種雙作用能量收集設(shè)備，用于收集環(huán)境固有振動能量并將該振動能量轉(zhuǎn)換成電能，包括縱向延伸的支承結(jié)構(gòu)；第一和第二束狀單壓電體，每個束狀單壓電體具有第一末端和第二末端，每個單壓電體的第一末端固定到所述縱向延伸的支承結(jié)構(gòu)；和第三束狀單壓電體，所述第三束狀單壓電體耦接至所述第一和第二束狀單壓電體的每一個的第二末端。
17.如權(quán)利要求13所述的用于收集環(huán)境固有振動能量并將該振動能量轉(zhuǎn)換成電能的雙作用能量收集設(shè)備，進(jìn)一步包括耦接至所述第三束狀單壓電體和所述縱向延伸的支承框架的至少一個運(yùn)動敏感電氣元件，由此所述運(yùn)動敏感電氣元件幫助收集環(huán)境固有振動能量。
18.如權(quán)利要求14所述的用于收集環(huán)境固有振動能量并將該振動能量轉(zhuǎn)換成電能的雙作用能量收集設(shè)備，其中所述運(yùn)動敏感電氣元件包括電容器。
全文摘要
本主題公開了用于從環(huán)境引發(fā)的振動收集動力的器件、系統(tǒng)和方法。公開了單壓電體器件和結(jié)構(gòu)可單獨(dú)用作平衡對結(jié)構(gòu)，或與其它元件相結(jié)合來增強(qiáng)單體器件的動力收集能力。根據(jù)本主題技術(shù)的動力收集器件和系統(tǒng)可作為傳感器共同工作在運(yùn)動敏感應(yīng)用中，由此提供自供電的監(jiān)測能力。
文檔編號H01L41/22GK1985380SQ200480043557
公開日2007年6月20日 申請日期2004年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月21日
發(fā)明者J·蒂森, G·P·奧布里安 申請人:米其林技術(shù)公司, 米其林研究和技術(shù)股份有限公司