CN101682215B - 电源设备和系统 - Google Patents

Abstract

具有电极化元件的电源设备和系统，在该电极化元件中剩余电极化形成且保持。电极形成于电极化元件上并且剩余电极化在电极上产生电势。电路与电极化元件耦合以控制在电极上吸引和分布的外部电荷。为了在电极上建立电势，电极可以通过控制外部电荷分布而输出电流。电极化元件可以由铁电材料制成，铁电材料包括铁电体陶瓷、铁电多层陶瓷、铁电单晶、铁电薄膜、铁电厚膜和铁电聚合物，以及一切其它的其中具有保持电极化的材料。对于许多包括RF系统的应用，根据本发明制作的电源设备和系统具有很长的备用时间，小的尺寸和高的效率。

Description

电源设备和系统

技术领域

本发明涉及一种电源设备和系统。特别地，本发明涉及一种具有长储能时间和/或长能量备用时间的提供电功率的电源设备和系统。

背景技术

如电池、燃料电池、太阳能电池的常规电源设备和系统用于对各种各样的电力设备供给稳定且连续的电功率。这些电池或燃料电池通常涉及把化学能或光能转换成电能，且在许多便携式电子电路应用中是必不可少的。然而，这些类型的电源受限于由高的电泄漏所致的短的储存寿命。因此如果不进行充电或替换，这些类型的电源没有长的备用时间。此外，这些类型电池的物理尺寸难以小型化，并且由于它们精密的内部结构而导致成本相对较高。

对于电能量储存，由于电泄漏电容器也不适合长时间储存能量。这样，对于一些需要长的能量备用时间的应用，如便携式射频识别(RFID)设备，特别是那些用于防篡改标志电子密封的设备，常规的电池、燃料电池和电容器不是优选的。具体而言，常规电池装置对于用于防篡改标志电子密封的RFID标签没有显著意义，其中低但长时间的备用功率仅短暂地用于传输RF信号、有时在电池寿命期间仅一次。对这样短暂但需要长备用时间的低功率供给，当前没有合适的电源设备或系统。RFID系统和应用的持续发展受限于有效且合适的电源设备的缺乏。

许多能量收集机制被研究用于RF系统和应用，包括能够把光能、磁能、热能和机械能转换成电力的设备和系统。然而，这些类型的能量转换设备和系统具有相对复杂的结构。此外，这些类型的设备和系统不适合在其中没有其它类型能量源可用的应用中使用。例如，对于静止物体而言机械源不可利用，对于在黑暗中的物体而言光源不可利用等等。特别地，RF标签被用于防篡改标志电子密封也是这种情况。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于要求长的备用时间和小的物理尺寸的应用的电源设备和系统，如便携式RF系统、RF-ID标签、特别是用于防篡改标志电子密封。

一方面，根据本发明实施例的电源设备具有其中保持电极化的电极化元件。电极形成在电极化元件的表面，且电极化在电极上产生电势。伴随改变电极上的电势，电路可以与电极化元件耦合以控制在电极上吸引和分布的外部电荷。通过控制外部电荷的分布，电极可以输出电流。电极化元件可以由铁电材料制作，铁电材料包括铁电体陶瓷、铁电多层陶瓷、铁电单晶、铁电薄膜、铁电厚膜和铁电聚合物或者任意其它的其中保持电极化的材料。与常规的电源设备相比，根据本发明制作的电源设备和系统具有很长的能量储存时间和备用时间、小的尺寸且适合向包括RF系统的许多应用供给电功率。

附图说明

本发明的这些及其它的方面和优点将通过附图详细地描述如下：

图1是示出了根据本发明的一个实施例的电源设备的示意图；

图2是示出了根据本发明的又一个实施例的电源设备的示意图；

图3、4和5是示出了根据本发明的更多不同实施例的电源设备的示意图；

图6A、6B和6C是示出了当与不同类型的电子电路耦合时根据本发明的实施例的电源设备的示意图；

图7是示出了根据图3所示的实施例的制备样本的实验结果的曲线图；

图8是示出了根据本发明的实施例的RFID系统的示意图；

图9是示出了根据如图3所示的但二极管方向被反转的又一个实施例的制备样本的进一步实验结果的曲线图。

具体实施方式

根据本发明的实施例，存在于结构不对称以及电不对称元件中的电极化被应用于电源。为了进行例示，铁电材料被用作电极化元件的一个例子来描述根据本发明实施例的电源设备和系统。然而，应该理解本发明不只限于由铁电材料制作的电源设备和系统。其它的具有类似性质的材料，如正电荷中心不完全与负电荷中心重叠的材料，也适合以类似于铁电材料的方式来制作电源设备。这些其它的材料可以包括例如石英、ZnO、AIN等等。

以铁电材料为例，铁电性被定义为存在于材料(即铁电材料)中的自发电极化的物理现象，且材料(铁电元件)中的电极化通过所施加的外电场可以从一个方向重新定向至另一个方向。重新定向过程涉及晶体内(或者陶瓷材料中个体晶粒内)的两个或更多的磁畴状态(domainstates)。在极化时，净正电荷出现在铁电元件的一个表面附近，且净负电荷出现在相对的表面附近。

在铁电元件的表面上，由于极化铁电元件产生的剩余电极化，外部电荷将聚集以屏蔽在元件内部的极化。根据本发明实施例的电源机制要控制在极化铁电元件表面聚集的表面电荷的分布。

现在参见图1，该图示出了根据本发明的一个实施例的电源设备100。设备100包括电极化元件，例如电极化形成在内部的电极化铁电元件110。在本实施例中，在元件被给予电极性后，电极化铁电元件110具有形成于元件内部的剩余电极化111。给予电极性是以下的过程，其中外电场施加于铁电元件，以使得电偶极和铁电元件的磁场沿着外电场重新定向。在给予电极性之后，电偶极的至少一部分重新定向且极化保持沿着外电场方向，即使电场移开后极化仍保持沿着外电场方向，引起在铁电元件110内部产生净正电荷122和净负电荷124。为了进行例示，净正电荷122示于电极化铁电元件110的靠近底表面112的位置，且净负电荷124示于电极化铁电元件110的靠近顶表面114的位置。

铁电元件110具有分别形成于底表面112和顶表面114的底电极132和顶电极134。因此，剩余电极化111在第一电极132和第二电极134上产生电势。

当置于周围具有外部电荷或者粒子的环境中，如在标准大气环境中，且由于铁电元件110中剩余极化的静电相互作用，负电荷142将被吸引到底电极132，并且正电荷144将被吸引到顶电极134，负电荷142与正电荷144主要都来自周围的环境。当在底电极和顶电极的静电荷的电位平衡时，底电极132和顶电极134可以停止吸引外部电荷。

当极化铁电元件110电连接到诸如具有并联连接的电阻器12和电容器14的外电路的负载10时，并且当控制开关150闭合时，底电极132和顶电极134的电边界条件将改变，引起负电荷142和正电荷144中的一部分流过负载电路10。因此，瞬变电流被供给至负载10。电源设备即在本实施例中的电极化铁电元件110，现在可以通过与负载10的耦合来供给瞬变电流。

图2示出了根据本发明的另一个实施例的电源设备200。电源设备200包括电极化铁电元件210，其具有产生于靠近底表面212的净正电荷222，和产生于靠近顶表面214的净负电荷224。此外，铁电元件210以类似于图1所示的铁电元件110的方式，被形成为具有底电极232和顶电极234。因此，铁电元件210中的剩余电极化211在第一电极232和第二电极234上产生电势。

在本实施例中，电源设备200包括电耦合于底电极232和顶电极234之间的开关260。当开关260打开时，底电极232和顶电极234以类似于如图1所示的方式吸引外部相反极性的电荷242和244，直至达到第一平衡状态。这里，第一平衡状态指当开关260打开时，由铁电元件210的剩余电极化211产生的电势被底电极232和顶电极234的电荷242和244中和的情况。

在备用状态时，开关260先闭合以形成底电极232和顶电极234之间的短路262。之后，外电荷242和244中的一部分将通过短路262重新分布，引起第一平衡状态打破且第二平衡状态建立。第二平衡状态指以下情况，其中由铁电元件210中的剩余电极化211产生的电势被短路262(当开关260闭合时)和底电极232与顶电极234上的电荷242和244中的剩余部分中和。

当需要供给电流时，开关260打开以断开短路262，第二平衡状态由此被打破。这样将引起底电极232和顶电极234上的电势改变。因此，瞬变电流将流过连接于底电极232和顶电极234的端子252和254，因此电源装备200可以供给电流给负载20。

图3至图5示出了根据本发明又一实施例的使用两件电极化铁电元件的电源系统。这些实施例中的铁电元件基本上与图1和图2所示的相同。

在图3中，电源系统300包括经由开关360互相耦合的两个铁电元件310a和310b。产生第一铁电元件310a的净正电荷324a的阳极334a经由开关360耦合到产生第二铁电元件310b的净负电荷324b的阴极334b。此外，第一铁电元件310a的阴极332a与第二铁电元件310b的阳极332b耦合。当开关360打开时，外部电荷342a、344a、342b、344b被各自的阳极和阴极吸引，直到第一平衡状态建立。在第一平衡状态，当开关360打开时，由第一铁电元件310a的剩余电极化产生的电势被底电极332a和顶电极334a上的电荷342a和344a中和。

对于电源设备300，首先开关360闭合以连接第二元件310b到第一元件310a。之后外部电荷342a和344a中的一部分通过连接到第二元件310b而重新分布，引起第一平衡状态打破且第二平衡状态建立。在第二平衡状态，由第一铁电元件310a的剩余电极化产生的电势被第二元件310b和底电极332a与顶电极334a上的电荷342a和344a中的剩余部分中和。

当需要供给电流时，开关360被打开以从第一元件310a断开第二元件310b，且因此第二平衡状态被打破。这将引起底电极332a与顶电极334a上的电势的建立。因此，瞬变电流将流过连接在底电极332a与顶电极334a的端子352和354，因此电源系统300可以供给电流到负载30。

在一个优选的实施例中，两个铁电元件310a和310b是相同的。

图4所示的电源系统400具有基于图3所示的电源系统300的改型配置。两个铁电元件410a和410b经由两个开关460和470而互相耦合，且相对极性的电极相互耦合。当开关460和470打开时，第一铁电元件410a的电极吸引外部电荷到它的电极上，引起在第一铁电元件410a中的第一平衡状态的建立。

对于电源设备400，首先开关460和470都闭合以连接第二元件410b到第一元件410a。之后第一元件410a的外部电荷的一部分通过连接到第二元件410b而重新分布，引起第一平衡状态被打破且第二平衡状态建立。在第二平衡状态，第一铁电元件410a的剩余电极化产生的电势通过第二元件410b和第一元件410a的电极上的电荷中的剩余部分中和。

当需要供给电流时，开关460和470都打开以从第一元件410a断开第二元件410b，且因此第二平衡状态被打破。这将引起第一元件410a的电极上的电势的建立。因此，瞬变电流将流过连接到第一元件410a的电极的端子452和454，因此现在电源系统400可以供给电流到负载40。

在一个优选的实施例中，两个铁电元件410a和410b是相同的。

图5所示的电源系统500在图3所示的电源系统300的基础上具有进一步改型的配置。电源系统500具有两个互相串联耦合的电极化铁电元件510a和510b，且铁电元件510a的顶电极534a物理地接触第二铁电元件510b的底电极532b。铁电元件510a的底电极532a电耦合到第二铁电元件510b的顶电极534b，并电耦合到第一端子552。第二端子554结合到电极534a。

通过使第一和第二铁电元件510a和510b在相对的极化端子处物理地彼此接触，可以防止将外部电荷吸引到接触表面，即第一铁电元件510a的顶电极534a和第二铁电元件510b的底电极532b将吸引显然更少的外部电荷。原因是靠近接触界面的相反符号的电荷可以互相屏蔽。当外部电荷542a和544b被吸引到各自的电极532a和532b上时，堆叠的第一和第二铁电元件510a和510b达到第一平衡状态。

当第一和第二铁电元件510a和510b迅速物理地分开时，先前接触的电极534a和532b分开，且靠近表面的未被屏蔽的净电荷暴露在周围的环境中，引起在其上吸引外部电荷，且因此引起第一平衡状态被打破。分开之后，端子544仍然与第一铁电元件510a的顶电极534a连接但却从第二铁电元件510b的底电极532b断开。之后电荷流向负载50，试图恢复平衡状态，且因而通过负载50产生瞬变电流。

根据本实施例的电源系统对旨在检测物理位移的应用特别有用。在一个实施例中，第一极化铁电元件可以附接到密封的一部分，且第二极化铁电元件可以附接至密封的另一部分。在另一个实施例中，物体的物理位移用于接通/关断开关。之后第一和第二极化元件根据图5所示的方式或者如图1-4所示的开关那样被电连接到作为负载而连接的报警装置。当密封被破坏或当开关触发时，电流从极化元件产生以供给报警装置，该报警装置可以是RF发射机。因此密封的破坏或者开关的触发可以被检测到。

各种电子电路可以与根据本发明所示的电源设备和系统一起使用，以满足各种不同的应用。例如，二极管、电容器和/或电感器可以在电源设备或系统中作为滤波器、整流器和/或短时电力储藏器或短时电力储存器使用。如图6A、6B和6C所示，代替图3、4和5所示的单个二极管作为整流器，包括全波整流器、二倍增压电路(其从Cockroft-Walton多倍增压电路演化而来)或具有电感器、电容器和二极管的滤波器/储存器电路模块的二极管、电容器和/或电感器的其它配置也可以使用以耦合到电源设备600。一个电容器或者多个电容器可以用作短时电荷储存电路以控制瞬时放电过程或者供电时段。

以根据图3所示实施例的电源设备为例来示出实验结果，其具有以下的性质/参数：

铁电材料：类似铁电锆钛酸铅(PZT)

陶瓷盘：φ25×1mm；电容值：5.7-5.8nF；tgδ：0.003。

电容器：100nF；

开关：开/关单极开关；

电阻器：三个不同的值100KΩ、1MΩ和10MΩ；

二极管：肖特基势垒，1N4148或者等效的。

示波器用来记录所获得的数据/波形。在此情况下，波形表示RC负载的关于时间的瞬时电压曲线。图7示出了通过测量获得的实验结果。图7的三条曲线对应由不同的电阻值实验模拟的三个不同的电流需求，曲线710、720和730分别对应100KΩ电阻器、1MΩ电阻器和10MΩ电阻器。上升的电流对应较小的电阻负载，能量消耗越快，从而导致下降的电压输出越快。对于100KΩ的负载，在二极管之后所测量的放电电压通常峰值在0.60至0.75V的范围内，且具有7.5μA的最大峰值电流。持续时间(认为从90％到10％)依负载从8毫秒(msec)到少于0.2毫秒变化。对于100KΩ的负载、峰值功率大约是5.6μW；对于1MΩ的负载、峰值功率大约是0.36μW。

观察到，通过接通和关断开关360短时功率被重复地提供。图7的三条曲线也可从一对相同的铁电元件获得，且在三个测试之间无任何再形成极性(re-poling)的过程。

又一结果可见于图9，其中使用另外两个铁电锆钛酸铅盘，对于100KΩ负载获得2.5V的放电峰值电压和62μW的最大输出功率。除了二极管方向反转以外，利用图3所示实施例获得该结果。该功率可以用于许多不同的电子应用，且足以满足RF信号传输。

本领域的普通技术人员可以理解尽管在本系统的结构中仅使用了体铁电陶瓷盘，其它具有剩余电极化的材料也可以用于根据本发明的电源设备和系统。这些其它类型适用材料的例子包括，但不限于，铁电单晶、铁电组合物、铁电薄膜和铁电厚膜、铁电多层材料、铁电聚合物，以及所有其它电极化材料。

图8示出了根据本发明的一个实施例的使用电源设备或系统的RFID系统800。作为一个应用例子，根据本发明实施例的电源设备或系统用于供给功率给低功率RFID发射机812。RFID发射机812可以通过天线810发射预记录信号给预定的接收机(未示出)。短时电源设备818可选地通过整流器816、滤波器和储存电路814耦合到RFID发射机812，RF信号发射被同时触发。从概念上来说，基本上RF发射模块设计与现有的便携式RF系统的发射模块设计相同，但是电源设备818代替了包括各种电池、太阳能电池或者任何其它现有的已知功率提取机构的常规能量源。

在一个应用中，此处所公开的短时电源系统也可应用于RFID系统特别是应用于防篡改标志电子密封。本发明的长备用时间、简单的结构和低成本对于防篡改标志电子密封的RFID应用特别有用。

虽然已经在上述具体实施方式中描述了并结合附图示出了本发明的实施例，但应理解到本发明不局限于已公开的实施例，在不脱离以下权利要求所阐明和详述的本发明的精神的情况下，能够进行许多调整、改型、替代和变换。

Claims (28)

1.一种电源，包括：

第一电极化元件；

在所述第一电极化元件的第一表面上的第一电极；

在所述第一电极化元件的第二表面上的第二电极，其中所述第二表面在所述第一电极化元件的所述第一表面的相对侧；以及

其中在所述第一电极化元件中的剩余电极化引起第一电荷聚集在所述第一电极上且相反极性的第二电荷聚集在所述第二电极上以在所述第一电极和所述第二电极之间建立电势。

2.根据权利要求1所述的电源，还包括：

通过负载将所述第一电极连接到所述第二电极的第一连接。

3.根据权利要求1所述的电源，其中所述负载包括：

射频信号传输装置。

4.根据权利要求2所述的电源，还包括：

在所述第一电极和所述第二电极之间的沿着所述第一连接的第一控制开关，其中所述第一控制开关在闭合位置时接通电路以使电流在所述第一电极和所述第二电极之间流动从而建立电荷的平衡状态。

5.根据权利要求2所述的电源，还包括：

直接将所述第一电极连接到所述第二电极的第二连接；以及

沿着所述第二连接的第二控制开关，其中响应于所述第二控制开关处于闭合位置，所述第二控制开关引起所述第一电极和所述第二电极之间的短路，且响应于所述第二控制开关处于打开位置，所述第二控制开关使得平衡状态被打破以引起所述第一电极和所述第二电极之间的电势改变并引起瞬变电流流过所述第一连接。

6.根据权利要求2所述的电源，其中所述第一电极是阴极且所述第二电极是阳极。

7.根据权利要求6所述的电源，还包括：

第二电极化元件；

在所述第二电极化元件的第一表面上的第三电极，其中所述第三电极是阴极；

在所述第二电极化元件的第二表面上的第四电极，其中所述第二表面在所述第二电极化元件的所述第一表面的相对侧上，其中所述第四电极是阳极；

所述第一电极和所述第四电极之间的第三连接；

所述第二电极和所述第三电极之间的第四连接；以及

所述第一电极和所述第四电极之间的所述第三连接中的第三开关，其中所述第三开关先被设置于闭合位置以使电荷聚集在所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极上，之后所述第三开关被设置于打开位置以打破平衡状态来在所述第一电极化元件上产生电势从而供给电流至在所述第一连接上的所述负载。

8.根据权利要求7所述的电源，还包括：

所述第二电极和所述第三电极之间的所述第四连接中的第四开关，其中所述第三开关和所述第四开关先处在闭合位置以使电荷聚集在所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极上，所述第三开关和所述第四开关闭合造成所述第一电极和所述第二电极上的所述电荷重新分布于所述第三电极和所述第四电极，中和在所述第一电极化元件上的所述电势，且之后所述第三开关和所述第四开关打开以供给电流至所述第一连接上的所述负载。

9.根据权利要求6所述的电源，其中所述第三连接包括：

第二电极化元件；

在所述第二电极化元件的第一表面上的第三电极，其中所述第三电极是阴极；

在所述第二电极化元件的第二表面上的第四电极，其中所述第二表面在所述第二电极化元件的所述第一表面的相对侧上，其中所述第四电极是阳极；

所述第一电极和所述第四电极之间的第三连接；

所述第二电极和所述第三电极之间的第四连接；以及

所述第一电极和所述第四电极之间的直接物理接触，其中所述物理接触引起所述第一电极和所述第四电极互相屏蔽且所述直接接触的分离引起外部电荷被吸引至所述第一电极和所述第四电极并引起所述负载接收电流。

10.根据权利要求1所述的电源，还包括：

与所述第一电极化元件耦合的电流滤波器电路。

11.根据权利要求1所述的电源，还包括：

与所述第一电极化元件连接的电流整流器电路。

12.根据权利要求1所述的电源，还包括：

与所述第一电极化元件连接的短时电荷储存器电路。

13.根据权利要求1所述的电源，其中所述第一电极化元件包括：

极化铁电元件。

14.根据权利要求3所述的电源，其中所述极化铁电元件选自铁电体陶瓷、铁电多层陶瓷、铁电单晶、铁电薄膜、铁电厚膜和铁电聚合物。

15.一种用于将功率供给负载的方法，包括：

在形成于第一电极化元件的第一表面上的第一电极和形成于所述第一电极化元件的第二表面上的第二电极上感应电荷，其中所述第二表面在所述第一电极化元件的所述第一表面的相对侧；以及

在第一连接和第二连接之间对连接所述第一电极和所述第二电极的电路进行切换，所述第一连接用以建立所述第一电极和所述第二电极上的电荷的平衡状态，所述第二连接用以打破所述平衡状态以在所述第一电极和所述第二电极上建立电势。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

经由所述第一连接通过负载连接所述第一电极到所述第二电极。

17.根据权利要求16所述的方法，其中连接所述第一电极和所述第二电极到负载的步骤包括：

沿着在所述第一电极和所述第二电极之间的所述第一连接闭合第一控制开关，其中闭合所述第一控制开关闭合所述第一连接的电路以使电流在所述第一电极和所述第二电极之间流动。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括：

沿着所述第二连接直接连接所述第一电极到所述第二电极。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

沿着所述第二连接闭合第二控制开关以在所述第一电极和所述第二电极之间造成短路从而中和所述第一电极化元件的所述电势。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括：

打开所述第二控制开关以造成所述第一电极和所述第二电极之间的电势改变，从而使瞬变电流流过所述第一连接。

21.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一电极是阴极且所述第二电极是阳极。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：

连接第二电极化元件的第一表面上的第三电极到所述第二电极，其中所述第三电极是阴极；

连接所述第二电极化元件的第二表面上的第四电极到所述第一电极，其中所述第二表面在所述第二电极化元件的所述第一表面的相对侧上，其中所述第四电极是阳极；以及

沿着所述第一电极和所述第四电极之间的连接闭合第三开关，其中所述第三开关引起电荷被吸引到所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括：

在所述第一电极和所述第四电极之间打开所述第三开关以供给电流给所述负载。

24.根据权利要求22所述的方法，还包括：

沿着所述第二电极和所述第三电极之间的连接闭合第四开关以使得电荷聚集在所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极上。

25.根据权利要求24所述的方法，还包括：

闭合所述第三开关和所述第四开关，引起所述第一电极和所述第二电极上的所述电荷重新分布于所述第三电极和所述第四电极，中和所述第一电极化元件上的所述电势。

26.根据权利要求25所述的方法，还包括：

打开所述第三开关和所述第四开关以供给电流给所述负载。

27.根据权利要求21所述的方法，还包括：

连接第二电极化元件的第一表面上的第三电极到所述第二电极，其中所述第三电极是阴极；

连接所述第二电极化元件的第二表面上的第四电极到所述第一电极，其中所述第二表面在所述第二电极化元件的所述第一表面的相对侧上，其中所述第四电极是阳极；以及

在所述第一电极和所述第四电极之间进行直接物理接触，其中所述物理接触使得所述第一电极和所述第四电极互相屏蔽。

28.根据权利要求27所述的方法，还包括：

分开所述直接物理接触以使得外部电荷被吸引至所述第一电极和所述第四电极且使得所述负载接收电流。

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