專利名稱：小型化壓電基的振動(dòng)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(dòng)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(duì)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?jiǎng)恿聿僮飨嚓P(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(dòng)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(dòng)力，即存儲(chǔ)在局部振動(dòng)中的動(dòng)力并將其轉(zhuǎn)換成有用電能的緊湊的、小型化的動(dòng)力收集系統(tǒng)是有利的。如果產(chǎn)生該動(dòng)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(jiǎn)化傳感器設(shè)計(jì)并減小整個(gè)封裝尺寸。
這種技術(shù)的應(yīng)用可以包括能用在振動(dòng)機(jī)器上的遠(yuǎn)距離分布的后市場(chǎng)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╇妭鞲衅鳌＿@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(bào)告的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是可行的。
這種類型的動(dòng)力收集器件還可用于地球物理探測(cè)或用作自然地球物理事件的報(bào)警/數(shù)據(jù)記錄器。在探測(cè)的情況下，來自能量源例如振動(dòng)器的振動(dòng)能量可轉(zhuǎn)換成電能并用于給RF傳輸數(shù)據(jù)提供動(dòng)力。這將簡(jiǎn)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(cè)期間從地震檢波器布置中去掉勘測(cè)的步驟。操作該裝置的動(dòng)力可來自與物理載送該裝置和將其配置在勘測(cè)點(diǎn)上有關(guān)的振動(dòng)以及由地震波產(chǎn)生的能量。在地球物理事件監(jiān)測(cè)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(shí)開始發(fā)送信息。通過從傳輸系統(tǒng)中去掉電池，可以廉價(jià)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(bào)警器，其中由軍用或其它交通工具的振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生動(dòng)力的其它入侵式健康監(jiān)測(cè)或健康支持系統(tǒng)提供動(dòng)力。在所有的這些應(yīng)用中，振動(dòng)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(shí)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(cè)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(huì)以高速非常迅速地發(fā)展；因此需要更連續(xù)的監(jiān)測(cè)。美國(guó)專利No.5,749,984(Frey等人)公開了一種輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和能夠?qū)⑦@種信息確定為輪胎監(jiān)測(cè)、輪胎速度和輪胎旋轉(zhuǎn)數(shù)的方法?？梢栽诿绹?guó)專利No.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(guó)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(dòng)系統(tǒng)(ABS)、轉(zhuǎn)向控制和牽引控制相交互的實(shí)時(shí)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(duì)信息進(jìn)行連續(xù)地傳輸，并且具有對(duì)相關(guān)控制系統(tǒng)的最小時(shí)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(dòng)力的方法。為輪胎電子系統(tǒng)提供動(dòng)力的典型解決方案對(duì)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(shí)。更進(jìn)一步地，當(dāng)給以復(fù)雜級(jí)功能為特征的電子應(yīng)用提供動(dòng)力時(shí)，電池易于很快耗盡它們的能量?jī)?chǔ)存。電池儲(chǔ)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(duì)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(dòng)和變形源獲取動(dòng)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(duì)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(gè)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(jì)劃。對(duì)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(gè)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(guó)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(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)供電。用于由輪胎移動(dòng)產(chǎn)生能量的機(jī)械特性的實(shí)例在美國(guó)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(dòng)力的另一選擇公布在美國(guó)專利No.4,510,484(Snyder)中，其涉及在輪胎的放射狀中心線周圍對(duì)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(shí)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(guó)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(dòng)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(shí)用作傳感器，并且實(shí)質(zhì)上可以與任何振動(dòng)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(guó)專利的所有公開都被并入本申請(qǐng)中用作參考。雖然已開發(fā)了多種動(dòng)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(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于所認(rèn)識(shí)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(dòng)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(dòng)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(duì)采用該器件的環(huán)境而言內(nèi)在的振動(dòng)能源產(chǎn)生動(dòng)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(dòng)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)備好連接到封裝的集成電路上的方式進(jìn)行封裝。甚至能夠?qū)纹瑒?dòng)力收集器件和調(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(gè)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(gè)示例性電子應(yīng)用涉及一種輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其被設(shè)計(jì)成測(cè)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(shí)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(cè)系統(tǒng)，其被設(shè)計(jì)成監(jiān)測(cè)和/或測(cè)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(dòng)引發(fā)的地面振動(dòng)。這種應(yīng)用可能涉及提供自供電的監(jiān)測(cè)器件，其被設(shè)計(jì)成監(jiān)測(cè)由地震、火山活動(dòng)或其它自然出現(xiàn)地質(zhì)事件引發(fā)的地面振動(dòng)。應(yīng)用還可能涉及提供自供電的監(jiān)測(cè)器件，用于檢測(cè)地面和由車輛、機(jī)器引發(fā)的其它振動(dòng)、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(cè)器件可通過收集由病人/佩帶者的運(yùn)動(dòng)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(dòng)力-產(chǎn)生器件的多種特征和其它方面提供了多個(gè)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(gè)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(dòng)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(jí)設(shè)備時(shí)，本公開技術(shù)的這個(gè)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(cè)量能力、監(jiān)測(cè)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(gè)示例性實(shí)施例中，壓電基振動(dòng)能量收集器由一對(duì)彼此相對(duì)布置的單壓電體(piezoelectric unimorph)形成，該對(duì)單壓電體單獨(dú)雙倍結(jié)合到相對(duì)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(dòng)能量收集器通過將多個(gè)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(shí)，使聚集的振動(dòng)能量收集量加倍。
在本主題的又一示例性實(shí)施例中，可通過破壞器件的諧振從通常的縱向和橫向振動(dòng)有效地收集能量，導(dǎo)致增加的收集能量超過可從諧振結(jié)構(gòu)獲得的能量。
本主題的其它實(shí)施例對(duì)應(yīng)于通過將運(yùn)動(dòng)敏感電子組件與基本的壓電基振動(dòng)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(dòng)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(duì)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。
本主題的進(jìn)一步實(shí)施例對(duì)應(yīng)于用于通過結(jié)合恒力彈簧增強(qiáng)能量收集的方法和設(shè)備。包括恒力彈簧的布置提供平衡的慣性塊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致形成寬帶能量接受器。
本主題進(jìn)一步的實(shí)施例對(duì)應(yīng)于通過在支承框架結(jié)構(gòu)內(nèi)提供恢復(fù)(regenerative)運(yùn)動(dòng)止擋元件或通過使它們自身彎曲的設(shè)計(jì)用來提高能量恢復(fù)并防止器件鎖定的方法。
最后，本技術(shù)的其它實(shí)施例對(duì)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(duì)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(shí)到，對(duì)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(qǐng)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(shí)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(duì)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(gè)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。
圖8示例了本技術(shù)的第八示例性實(shí)施例和采用恒力彈簧結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例； 圖9示例了本技術(shù)的第二恒力彈簧結(jié)構(gòu)實(shí)施例； 圖10示例了本主題的示例性結(jié)構(gòu)并包括與圖9中所示實(shí)施例相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)止擋限制裝置的實(shí)例； 圖11(a)、12(a)和13-16示例了在根據(jù)本技術(shù)的小型動(dòng)力產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)中的示例性順序步驟； 圖11(b)示例了根據(jù)本技術(shù)的示例性彈簧和連接的壓電元件的等軸側(cè)視圖；和 圖12(b)示例了在支承框架內(nèi)的恒力彈簧的可選安裝布置。
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(dòng)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(dòng)力。
參考圖1(a)、1(b)和1(c)，示例了一種根據(jù)本主題的動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)于比剛剛示例的更小的面積時(shí)這樣是不需要的。壓電材料32、以及在此描述的所有的其它壓電材料，可對(duì)應(yīng)于壓電單體的鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋯酸鑭鉛(PZLT)、鈦酸鋇(BaTiO3)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或具有壓電性質(zhì)的其它材料。彈簧30、以及在此描述的所有的其它彈簧或彎曲材料對(duì)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、碳纖維材料、形狀記憶合金(SMA)等的材料。應(yīng)當(dāng)清楚地明白，可用于本技術(shù)的單壓電體的組件的明確表述不是本主題的限制因素，而是說本主題主要關(guān)注當(dāng)壓電單體涉及動(dòng)力收集結(jié)構(gòu)時(shí)這些壓電單體的多種布置。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步注意到，出于本公開的目的，術(shù)語“單壓電體(piezoelectric unimorph)”和“單體(unimorph)”被認(rèn)為是同義的，術(shù)語“壓電雙晶片(piezoelectricbimorph)”和“雙晶片”以及術(shù)語“彈簧”和“彎曲”也是同義的。
繼續(xù)參考圖1(a)，示例了動(dòng)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(dòng)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(dòng)力引起狀況。在其松弛態(tài)，動(dòng)力收集器10的每個(gè)組件都采用中性狀態(tài)。支承彈簧50、52是直的，對(duì)支承彈簧30不產(chǎn)生力，同時(shí)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(dòng)力收集器10如圖1(b)所示發(fā)生變形時(shí)，該變形以與壓電器件制造和設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)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(dòng)力收集器60的第一示例性實(shí)施例。雙作用動(dòng)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(dòng)力收集器60借助公共檢驗(yàn)塊40將兩個(gè)動(dòng)力收集器20、20′耦接在一起，其一個(gè)可處于松弛狀態(tài)，而另一個(gè)可處于變形狀態(tài)。動(dòng)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(gè)顯著方面涉及描述為“平衡相對(duì)”的概念。動(dòng)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(shí)，由動(dòng)力收集器對(duì)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(duì)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(gè)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(dòng)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(jì)成在將寄生的振動(dòng)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(jì)。
圖2(a)是根據(jù)本主題的動(dòng)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(dòng)力收集器的第二實(shí)施例的側(cè)視圖，其中多個(gè)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(gè)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(jì)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(gè)重要方面在于，當(dāng)檢驗(yàn)塊42位于其行進(jìn)的中點(diǎn)時(shí)，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(dòng)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(gè)中產(chǎn)生偏斜的脈沖之后，在用于驅(qū)動(dòng)檢驗(yàn)塊42并使構(gòu)成相對(duì)組單體的單體偏斜的相對(duì)單體組中的一個(gè)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(dòng)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(dòng)力收集器尤其有利之處在于，可以將該布置設(shè)計(jì)成在系統(tǒng)的主要諧振處或附近工作，動(dòng)力收集器80由所述系統(tǒng)將寄生的振動(dòng)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(dòng)收集能量的一個(gè)機(jī)構(gòu)包括在對(duì)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(gè)或多個(gè)電容電極80、82，并如所示的，以形成單獨(dú)電容的電極相對(duì)于板狀單體的移動(dòng)相互移動(dòng)的這種方式，電容電極80、82被耦接至一個(gè)或多個(gè)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(shí)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(gè)表面的是檢驗(yàn)塊48，而電容器的一個(gè)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(shí)，電容器電極80和82相對(duì)于彼此移動(dòng)。
在該結(jié)構(gòu)中，當(dāng)電荷隨著壓電材料變形而分離時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移到電容的相對(duì)電極。當(dāng)變形的單體松弛時(shí)，它使電容器電極分別增加所存儲(chǔ)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(dòng)有效分離時(shí)，同時(shí)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)于支承結(jié)構(gòu)的的移動(dòng)將導(dǎo)致永久磁鐵移入和移出線圈。很清楚采用這種移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(duì)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(duì)壓電器件130、130′，由此形成相對(duì)的一對(duì)單體。如此形成的一對(duì)相對(duì)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(gè)的末端安裝在滑動(dòng)支承112、112′上，滑動(dòng)支承112、112′還耦接一對(duì)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(gè)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(dòng)，檢驗(yàn)塊120就可在所示箭頭的方向上移動(dòng)，以允許彈簧28′移動(dòng)到優(yōu)選的延伸(更接近平坦)位置，同時(shí)迫使彈簧28達(dá)到所示的更壓縮的姿勢(shì)。當(dāng)彈簧28、28′彎曲時(shí)，連接的壓電器件130、130′同時(shí)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(jì)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)的另一方而來自于以下理解，即，如相對(duì)于所示的簡(jiǎn)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(duì)”，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(gè)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(duì)彈簧200、202和204、206以與公共檢驗(yàn)塊230平衡相對(duì)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(gè)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(gè)支承元件222、224之間時(shí)，彈簧200-206中的每一個(gè)都被輕微壓縮。
一旦由外部引發(fā)的振動(dòng)能量的施加引起檢驗(yàn)塊230的移動(dòng)，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(duì)200、202和204、206輪流壓縮和釋放。記住，這些彈簧的每一個(gè)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(jì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)而彎曲。另外，如以后關(guān)于圖10中所示的實(shí)施例將更全面論述的那樣，可采用磁性元件來幫助本主題的能量收集方面。
圖6(a)和6(b)分別示例了本主題的示例性平而狀實(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(duì)”結(jié)構(gòu)被布置成使得每個(gè)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(dòng)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(gè)梳的可移動(dòng)部分400。另外，檢驗(yàn)塊440可提供有壓電層，以基于可移動(dòng)梳狀元件的移動(dòng)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(dòng)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(film reducing)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(jì)用于相當(dāng)大的應(yīng)力?；谶@些考慮，對(duì)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(gè)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(gè)單體，每個(gè)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(gè)的相對(duì)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(zhǎng)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(jiǎn)單變直并垂直移動(dòng)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(dòng)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(gè)壓電元件的適當(dāng)配置的線路，以通過由三個(gè)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(dòng)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(dòng)而來的其他能量。
現(xiàn)在參考圖8，示例了根據(jù)本主題構(gòu)造的動(dòng)力產(chǎn)生器850的雙作用實(shí)施例的功能實(shí)現(xiàn)，本主題包括使用一對(duì)恒力彈簧860、862以獲得在前描述的“平衡相對(duì)”功能。如圖8所示，恒力彈簧860、862布置在框架852中，并在框架852內(nèi)以能夠支承檢驗(yàn)塊854處于中心、中立位置的方式進(jìn)行配置。
每個(gè)彈簧860、862的結(jié)構(gòu)基本相同并且每個(gè)都具有安裝于其上的多個(gè)元件，這些元件將關(guān)于彈簧860用附圖標(biāo)記進(jìn)行說明，這些元件關(guān)于彈簧862是完全相同的但不用附圖標(biāo)記進(jìn)行說明，以避免視圖過于混亂。另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，將要論述的所有的其它視圖都節(jié)省了圖11(b)和圖16，其表示所描述的動(dòng)力產(chǎn)生器實(shí)施例的端視圖。當(dāng)然，功率產(chǎn)生器是三維器件，并且所描述的彈簧和其它元件可更準(zhǔn)確地描述為與圖11(b)的說明相似的片狀結(jié)構(gòu)，如后面更全面描述的那樣。
進(jìn)一步參考圖8，將看到多個(gè)元件已固定到彈簧860和862。這些元件包括彈簧加強(qiáng)(stiffening)元件870、872、874、876和壓電元件880、882、884、886。這些元件的部分或全部可組成雙元件，其特征在于，物理結(jié)構(gòu)可放置在為彈簧加強(qiáng)元件870、872、874、876和壓電元件880、882、884、886指定的位置處的各彈簧860、862的兩側(cè)上。在一些情況下，壓電元件本身可用作彈簧加強(qiáng)元件。將參考后面在圖11(a)-16中所示的制造順序步驟更清楚地描述該結(jié)構(gòu)。壓電元件880、882、884、886連接到所示的彈簧860、862上，并且可用有利的壓電場(chǎng)方向軸向或徑向地定位到彈簧860、862的彎曲點(diǎn)890、892、896的曲率中心。
將能量收集器件或動(dòng)力產(chǎn)生器實(shí)現(xiàn)為具有所需性質(zhì)的動(dòng)力產(chǎn)生器850的一個(gè)方面是使用保持在兩個(gè)平衡力之間的慣性塊854，所述的所需性質(zhì)允許動(dòng)力產(chǎn)生器850用作寬帶能量接收器。然而，對(duì)任何應(yīng)用實(shí)際而言，必須考慮的另一方面是存在對(duì)于檢驗(yàn)塊的足夠大范圍的位移。為了在圖8中所示的示例性實(shí)施例中允許檢驗(yàn)塊854足夠的大位移，將彈簧860、862構(gòu)造為恒力彎曲，即彈簧。
可利用任何形式的恒力彎曲來構(gòu)造根據(jù)本主題的動(dòng)力產(chǎn)生器的實(shí)施例。例如，根據(jù)圖9中所示的本主題的示例性動(dòng)力產(chǎn)生器900可由配置為相對(duì)成對(duì)組組件的三個(gè)彎曲梁的四組組件902、904、906、908組成。如組件904中的梁910示例性示例的每個(gè)彎曲梁上面安裝有一對(duì)壓電元件912、914，如同圖8中所示的實(shí)施例，該對(duì)壓電元件912、914可對(duì)應(yīng)于以與參考圖8中在前論述的相似的方式位于梁910任一側(cè)上的成對(duì)壓電元件。
彎曲梁的相對(duì)的成對(duì)組件902、904、906、908位于框架952內(nèi)，以使檢驗(yàn)塊954在不施加外部力時(shí)保持處于中心、中性的位置。應(yīng)當(dāng)牢記在心，三個(gè)元件組的說明和描述僅是示例性的并且不對(duì)應(yīng)于本主要的需求。而恒力的概念是將要提出的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?？筛鶕?jù)本主題利用任何合理的實(shí)際數(shù)量的彎曲建立恒力系統(tǒng)。而且，如由彎曲的相對(duì)成對(duì)組902、904、906、908的每一個(gè)中的靠近中心的壓電元件912’、914’的虛線輪廓所示，在每個(gè)彎曲一側(cè)或兩側(cè)上提供壓電元件是可選的。就是說，在沒有壓電器件、單壓電體或壓電雙晶片連接于此的彎曲組中存在彎曲。所有這種結(jié)構(gòu)由本主題進(jìn)行設(shè)想。
無論壓電元件放置的可選狀態(tài)如何，本主題的該實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是壓電元件912、914可連接到每個(gè)彎曲。將壓電元件連接到每個(gè)彎曲導(dǎo)致與圖8所示的實(shí)施例相比在該器件中包含更大量的壓電元件，并由此可獲得增加的能量輸出。在兩個(gè)實(shí)施例中，壓電元件隨著彎曲變形而承受壓力，并能夠以比前述所需更少的壓電材料進(jìn)行能量收集且以非常緊湊的形式進(jìn)行。
如圖8和9中所示的那些彎曲的使用會(huì)引起很大的位移，并由此需要提供對(duì)功能器件的止擋限制，以使該器件不會(huì)陷入鎖定，即，器件不會(huì)鎖定到其不能行使功能的最大位移位置。這種止擋限制器件的示例性結(jié)構(gòu)示于圖10中。圖10中所示的示例性結(jié)構(gòu)與圖9中所示的基本相同，并由此將不進(jìn)一步描述在兩個(gè)實(shí)施例中相同的那些相應(yīng)組件。
與本主題的所選實(shí)施例有關(guān)的有利方面是止擋限制器件提供成具有恢復(fù)屬性?；謴?fù)止擋限制器件可用于在可轉(zhuǎn)換成勢(shì)能的動(dòng)能和在止擋處回到動(dòng)能的動(dòng)能之間提供能量轉(zhuǎn)換。在圖10中所示的止擋限制元件在該示例性實(shí)施例中提供這種恢復(fù)屬性，當(dāng)止擋限制元件對(duì)應(yīng)于如圖10所示的在成對(duì)位置處連接到框架1052和檢驗(yàn)塊1054的永久磁體對(duì)1010和1012、1020和1022、1030和1032、以及1040和1042時(shí)。對(duì)永久磁體對(duì)進(jìn)行配置，使得相互的相對(duì)場(chǎng)建立成在檢驗(yàn)塊1054的各個(gè)頂部、底部和末端表面以及框架1052上的相應(yīng)位置之中保持分離。在該情況下，檢驗(yàn)塊1054的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成磁力勢(shì)，并存儲(chǔ)在磁場(chǎng)1024、1032、1044中，并且當(dāng)存儲(chǔ)在場(chǎng)中的反作用力使檢驗(yàn)塊1054回到平衡位置時(shí)在檢驗(yàn)塊1054中轉(zhuǎn)換回動(dòng)能。
應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格注意，可提供對(duì)應(yīng)于能量守恒止擋限制的其它裝置，包括、但不限于氣壓(gas)彈簧、具有適當(dāng)特性的另一彎曲部、或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的任何其它裝置。在這種情況下，當(dāng)遠(yuǎn)距時(shí)可以將適當(dāng)?shù)奶匦悦枋鰹榫哂锌珊雎缘挠绊?，而?dāng)?shù)竭_(dá)位移末端時(shí)描述為快速增加的影響。對(duì)于磁性情況，力增加為1/r3，使得在相對(duì)遠(yuǎn)的距離r處，僅存在弱影響，但在止擋的終點(diǎn)處影響快速增加。
參看圖10，其揭示了根據(jù)本技術(shù)的器件能夠通過沿著兩個(gè)軸加速檢驗(yàn)塊而產(chǎn)生能量。由于雙軸能量產(chǎn)生是可能的，所以需要在垂直和水平兩個(gè)方向上都提供止擋限制。而且，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在此提出的本主題的所有實(shí)施例中，可以通過將框架固定到振動(dòng)系統(tǒng)的慣性參考系并允許檢驗(yàn)塊對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的慣性參考系進(jìn)行反應(yīng)、或通過將檢驗(yàn)塊固定到振動(dòng)系統(tǒng)的慣性參考系而允許框架對(duì)振動(dòng)進(jìn)行反應(yīng)，來完成彎曲的偏斜并由此在器件內(nèi)的進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。理論上，框架移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于，應(yīng)當(dāng)能夠獲得較大的反作用塊(mass)并因此實(shí)現(xiàn)較高級(jí)的能量轉(zhuǎn)換。
現(xiàn)在參考圖11(a)-16，其示例了根據(jù)本主題制備能量收集器的示例性方法。圖11(a)示例了當(dāng)壓電元件1102、1104、1006和1008連接到彎曲1160以制造單獨(dú)彎曲組件1100時(shí)制備工藝的初始步驟。該彎曲組件1100還可對(duì)應(yīng)于圖8中在前示例的彎曲組件。如圖11(a)所示，壓電元件1102和1104已連接到彎曲1160，同時(shí)示例了壓電元件1106和1108正處于連接的過程。
應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，圖11(a)、12(a)、12(b)和13-15中所示的器件代表實(shí)際器件的2維端部視圖，而彎曲實(shí)際上對(duì)應(yīng)于圖11(b)中所示的視圖和圖16的最終裝配視圖中更清晰可見的薄片。除了示例彎曲組件1100的片狀結(jié)構(gòu)之外，圖11(b)還示例了所有四個(gè)壓電元件已連接到彎曲1160的制備工藝步驟。
可經(jīng)由任何標(biāo)準(zhǔn)方式來完成將壓電元件連接到彎曲1160，所述標(biāo)準(zhǔn)方式包括、但不限于粘合劑、環(huán)氧樹脂、電壓烘焙(voltage curing)和擴(kuò)散結(jié)合。此外可通過任何可用的方法來完成必要的電極形成和壓電材料還原，這種方法對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。盡管這不是對(duì)本技術(shù)的限制，但該連接技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是允許使用更高性能的壓電材料和利用壓電和彎曲材料片的廉價(jià)塊進(jìn)行批量生產(chǎn)。彎曲材料可對(duì)應(yīng)于金屬、合成物或可提供如在此描述的適當(dāng)彈力的任何適合的材料。
現(xiàn)在參考圖12(a)，示例了制備工藝中的下一個(gè)步驟。如將看到的，已提供了多個(gè)彎曲組件1100并將多個(gè)彎曲組件1100各自連接到U形框架1200。彎曲組件1100可對(duì)應(yīng)于連接壓電材料的彎曲材料薄片，該薄片可切成條，用于經(jīng)由任何適合的連接方式連接到U形框架1200。如圖11(a)所示，彎曲組件1100的連接可處于一種鄰接布置，而彎曲組件由粘接劑、環(huán)氧樹脂、焊接或任何其它的適合方法固定?？蛇x地，如在對(duì)應(yīng)于圖12(a)和12(b)中都示出的虛線圓圈部分1210的區(qū)域中圖12(b)中部分中斷所示的那樣，對(duì)應(yīng)于彎曲組件1100的薄片的整個(gè)薄片或部分1110可穿過U形框架中的開口，并通過包括、但不限制于在前提到的方法的適當(dāng)方法進(jìn)行連接。利用圖12(b)中所示的連接方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可通過借由彎曲穿過的相同開口通過框架對(duì)壓電元件進(jìn)行電連接。
制備工藝的下一個(gè)步驟是將檢驗(yàn)塊1254連接到彎曲組件1100，如圖13所示。檢驗(yàn)塊1254可對(duì)應(yīng)于滿足器件物理需求的金屬薄片。適合檢驗(yàn)塊1254的材料的非限制實(shí)例是鉛。檢驗(yàn)塊1254可利用包括、但不限于在前提及的連接方法的任何適合的方式連接到彎曲組件。
在連接檢驗(yàn)塊1254之后，已完成根據(jù)本主題的能量收集器的前一半，并且制備工藝的下一個(gè)步驟要求將第二個(gè)這種完成的一半固定在一起，如圖14所示。如所示的，通過使兩個(gè)檢驗(yàn)塊1254鄰接并將它們固定在一起，將具有彎曲組件1100和檢驗(yàn)塊1254的兩個(gè)U形框架1200耦接在一起?？赏ㄟ^任何適合的方法，例如，如在1260處示例表示的焊接固定檢驗(yàn)塊1254。然而，這種固定方法不限制本主題，因?yàn)榭刹捎萌魏魏线m的方法，包括粘接劑、環(huán)氧樹脂、或者甚至經(jīng)由適合的機(jī)械固定裝置。
在固定兩個(gè)檢驗(yàn)塊1254之后，將兩個(gè)U形框架1200和裝配的彎曲和檢驗(yàn)塊放入壓縮，如圖15所示，并將兩個(gè)U形框架1200固定在一起。如同檢驗(yàn)塊1254一樣，可通過與將檢驗(yàn)塊固定在一起所采用的相似方式如在1560處所示的焊接，將兩個(gè)U形框架1200固定在一起。可選地，可利用包括以上在前提到的那些方法的任何適合的方式將兩個(gè)U形框架1200固定在一起。不管用于固定兩個(gè)U形框架1200的方法是怎樣的，對(duì)框架的整個(gè)長(zhǎng)度并在兩側(cè)上對(duì)框架進(jìn)行固定。
將U形框架和其外殼組件切割成如圖16所示的單獨(dú)的能量收集器件，完成了根據(jù)本主題的能量收集器的最后的制備步驟。然而，在切割步驟之前，以及在切割過程期間為了支承和保護(hù)包含在接合的U形框架內(nèi)的組件，以犧牲的支承材料填充由接合的U形框架形成的溝槽內(nèi)的各個(gè)裝配組件之間的空間1510-1538。適合的犧牲支承材料的非限制性實(shí)例包括聚氨基甲酸乙酯、PMA、或以溶解劑不影響器件的機(jī)械或電氣性質(zhì)的方式可去除的任何其它適合的材料。
在切割之后，去除犧牲材料以釋放組件部分并制造圖16中所示的單個(gè)能量收集器1600。去除犧牲材料可經(jīng)由碳還原或分解而進(jìn)行。
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(shí)到，一旦獲得前述的理解就容易產(chǎn)生對(duì)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(duì)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(dòng)能量并將該振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，包括恒力彎曲結(jié)構(gòu)；至少一個(gè)壓電元件，其固定到所述恒力彎曲結(jié)構(gòu)；支承結(jié)構(gòu)，其沿著至少一個(gè)軸固定所述恒力彎曲結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)部分防止相對(duì)運(yùn)動(dòng)；和至少一個(gè)檢驗(yàn)塊，其耦合至所述恒力彎曲結(jié)構(gòu)的第二部分；由此環(huán)境固有振動(dòng)能量產(chǎn)生檢驗(yàn)塊和支承結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)移動(dòng)和隨之而來的恒力彎曲結(jié)構(gòu)的移動(dòng)，由此通過所述至少一個(gè)單壓元件產(chǎn)生電能。
2.如權(quán)利要求1所述的能量收集設(shè)備，其中所述恒力彎曲結(jié)構(gòu)包括至少一對(duì)恒力彎曲。
3.如權(quán)利要求2所述的能量收集設(shè)備，其中至少一對(duì)恒力彎曲的每個(gè)彎曲都布置成彼此相對(duì)平衡。
4.如權(quán)利要求2所述的能量收集設(shè)備，其中所述至少一個(gè)檢驗(yàn)塊耦接至該對(duì)恒力彎曲的每個(gè)彎曲。
5.如權(quán)利要求2所述的能量收集設(shè)備，進(jìn)一步包括至少一個(gè)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)止擋裝置，其中將該運(yùn)動(dòng)止擋裝置配置成在至少一個(gè)軸向上限制檢驗(yàn)塊和支承結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)移動(dòng)。
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(gè)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)止擋裝置包括至少一對(duì)磁體。
7.如權(quán)利要求2所述的能量收集設(shè)備，進(jìn)一步包括至少兩個(gè)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)止擋裝置，其中將所述運(yùn)動(dòng)止擋裝置配置成在至少兩個(gè)軸向上限制檢驗(yàn)塊和支承結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的能量收集設(shè)備，其中所述至少兩個(gè)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)止擋裝置包括至少兩對(duì)磁體。
9.如權(quán)利要求3所述的能量收集設(shè)備，其中多對(duì)恒力彎曲布置成彼此相對(duì)平衡，并且將至少一對(duì)壓電元件固定到至少一對(duì)恒力彎曲。
10.如權(quán)利要求9所述的能量收集設(shè)備，其中多對(duì)壓電元件固定到恒力彎曲的至少一個(gè)，且其中多對(duì)壓電元件中每一對(duì)的每個(gè)壓電元件固定到至少一個(gè)所述恒力彎曲的相對(duì)側(cè)。
11.一利雙作用能量收集設(shè)備，用于收集環(huán)境固有振動(dòng)能量并將該振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，包括第一和第二恒力彎曲結(jié)構(gòu)，恒力彎曲結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括支承至少一個(gè)壓電元件的至少一個(gè)恒力彎曲；縱向延伸檢驗(yàn)塊；和支承框架，其圍繞所述第一和第二恒力彎曲結(jié)構(gòu)和所述縱向延伸檢驗(yàn)塊，其中每個(gè)恒力彎曲結(jié)構(gòu)的第一部分固定到所述檢驗(yàn)塊的相對(duì)側(cè)，并且每個(gè)恒力彎曲結(jié)構(gòu)的第二末端固定到所述支承框架。
12.如權(quán)利要求11所述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(gè)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)止擋裝置，其中將運(yùn)動(dòng)止擋裝置配置成在至少一個(gè)軸向上限制檢驗(yàn)塊和支承結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
13.如權(quán)利要求12所述的雙作用能量收集設(shè)備，其中所述運(yùn)動(dòng)止擋裝置包括至少一對(duì)磁體。
14.如權(quán)利要求11所述的雙作用能量收集設(shè)備，其中每個(gè)恒力彎曲結(jié)構(gòu)包括多個(gè)恒力彎曲，至少一個(gè)恒力彎曲支承至少一個(gè)壓電元件。
15.如權(quán)利要求14所述的雙作用能量收集設(shè)備，其中多個(gè)恒力彎曲中的每個(gè)都各支承多個(gè)壓電元件。
16.如權(quán)利要求15所述的雙作用能量收集設(shè)備，其中多個(gè)壓電元件成對(duì)布置在它們被連接的恒力彎曲的相對(duì)側(cè)上。
17.如權(quán)利要求16所述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兩個(gè)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)止擋裝置，其中將運(yùn)動(dòng)止擋裝置配置成在至少兩個(gè)軸向上限制檢驗(yàn)塊和支承結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
18.如權(quán)利要求17所述的雙作用能量收集設(shè)備，其中所述運(yùn)動(dòng)止擋裝置包括至少兩對(duì)磁體。
19.一種用于制備雙作用能量收集設(shè)備的方法，包括以下步驟(a)通過下述步驟制備雙作用能量收集設(shè)備的第一半(1)提供多個(gè)縱向延伸的彎曲，每個(gè)縱向延伸的彎曲具有第一和第二邊緣和第一和第二側(cè)；(2)將一個(gè)或多個(gè)縱向延伸的壓電元件固定到一個(gè)或多個(gè)縱向延伸的彎曲的一側(cè)或多側(cè)；(3)提供U形縱向延伸的框架；(4)將多個(gè)縱向延伸的彎曲的每個(gè)的第一邊緣連接到U形縱向延伸的框架的內(nèi)表面；和(5)將公共檢驗(yàn)塊的第一側(cè)連接到多個(gè)縱向延伸的彎曲的每個(gè)的第二邊緣；(b)通過重復(fù)步驟(1)-(5)制備雙作用能量收集設(shè)備的第二半；(c)使第一和第二半的每一個(gè)檢驗(yàn)塊的第二側(cè)耦合在一起；(d)朝著第二半的U形縱向延伸框架壓縮第一半的U形縱向延伸的框架，直至U形縱向延伸的框架的開放邊緣相接觸；(e)將相接觸的U形縱向延伸框架的開放邊緣相互接合；和(f)將接合的縱向延伸框架切割成多個(gè)縱向延伸部分。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括下列步驟在切割步驟之前，用犧牲支承材料填充在接合的U形縱向延伸框架內(nèi)的空的空間；和在切割步驟之后去除犧牲支承材料。
全文摘要
本主題公開了用于從環(huán)境引發(fā)的振動(dòng)收集動(dòng)力的設(shè)備和用于制備設(shè)備的方法。公開了壓電器件和結(jié)構(gòu)(1600)，其采用在平衡相對(duì)結(jié)構(gòu)(1510、1534)中的恒力彈簧或彎曲布置(1512)，以增強(qiáng)壓電器件(1600)的動(dòng)力收集能力。根據(jù)本主題技術(shù)的動(dòng)力收集器件和系統(tǒng)可在運(yùn)動(dòng)敏感應(yīng)用中作為傳感器并行運(yùn)行，由此提供自供電的監(jiān)測(cè)能力。
文檔編號(hào)H01L41/22GK1985381SQ200580023678
公開日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2005年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月21日
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