CN102273059B - 自供电的压电表面声波装置和方法 - Google Patents
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Abstract
自主的自供电设备包括放射性同位素供电的电流脉冲发生器，电流脉冲发生器包括具有悬臂的弹簧组件，以及与电流脉冲发生器并联连接的压电表面声波(P-SAW)结构。由于连续发射β粒子(电子)，因此正电荷积聚在电气绝缘的63Ni薄膜上，其中β粒子被收集在悬臂上。积聚的电荷最终将悬臂拉进放射性同位素薄膜中，直到放电发生为止。放电生成瞬时的磁场和电场，瞬时的磁场和电场可以激发腔的RF模式，在腔中发生放电。压电-SAW谐振器被连接到放电组件，以控制RF频率输出。一种用于生成调谐的RF信号的方法包括向P-SAW谐振器输入能量脉冲、激发其谐振频率、以及输出具有调谐到谐振器频率的频率的RF信号。
Description
相关申请资料
本申请要求于2008年11月10日提交的序列号为61/193,251号的美国临时申请的优先权，该临时申请的主题以引用的方式完整地并入本文。
发明背景
1.发明领域
本发明的实施方式涉及发射应答器、遥测/接收器、以及传感器装置和相关联的方法。更特别地，本发明的实施方式针对自供电的此类具有设计的频率控制的装置和相关联的方法。最特别地，本发明的实施方式针对放射性同位素供电的压电表面声波换能器和相关联的方法。
2.相关技术描述
微型机电系统(MEMS)遍及日常生活中的各种应用已经变得普遍。最小尺寸的MEMS及其制造材料自然地提供了将这些结构与集成电路结合以提供不需要外部电源的自主微系统的机会。具有长保存期的、小尺寸的、可靠的、温度敏感的且长操作的内部电源的可用性可能显著地影响这些自主微系统的效用。甚至最小的传统电池可能远大于它们为此供电的MEMS，从而对于某些应用而言限制了设备的尺寸减小。另外，传统的电池具有相对较短的使用寿命，通常大约数天，最多几个月，并且可能不能很好地操作或者根本不能在高的温度或低的温度下操作。存在几种应用，其中具有能够向MEMS供电多个月、许多年甚至几十年的电源是可期望的。例如，基于MEMS的传感器可以用于监控各种结构的和环境的状况，并且经由光学通信或射频(RF)通信将该信息发送到接收位置。如果这些设备装备有能够在无需替换的情况下供电持续数年或者几十年的电源，那么基于传感器的设备例如可以永久地嵌入到建筑物、桥等中、用于太空研究和由本领域技术人员预想的其它此类应用。
在第6,479,920号和第7,301,254号美国专利中公开了对较长寿命的电源的需要的一个或多个解决方案，所述专利的主题在可适用的法律和条例所允许的最大程度上以引用的方式完整地并入本文。前面提到的‘920专利公开了一种设备，其中在诸如镍-63的放射性同位素中通过放射性衰变发射的粒子携带的能量被俘获，并转变为机械势能，所述机械势能被存储在可弹性形变的元件中。电能也被存储在放射性同位素连接的电极之间形成的电容器中。存储在可变形的元件中的机械能和电能的释放可以用于直接激活其它机械部分，或者可以转变为可以供应以驱动诸如集成电路的电子部件的电能。用作说明地，设备包括诸如单晶硅、玻璃等的基底，其具有以一端被固定到那里且具有一自由端的伸长的悬臂梁。放射性源被安装到梁的自由端下方的基底，并且放射性发射粒子的吸收体被安装到梁的自由端。具有输出终端的压电元件被固定到悬臂的顶表面，以使压电板将与可变形的悬臂一起弯曲和变形。放射性同位素源优选地发射电子。发射的电子被吸收体吸收并保持，给吸收体充负电，然而源保持正电荷。当电荷在吸收体和源上积累时，这些元件之间的静电力增加，使悬臂梁弯曲以使吸收体开始接近源。在特定的时长后，梁将足够地弯曲，使得吸收体与源进行电接触，从而在这些元件上放电并且释放梁，当梁释放了存储在弯曲的梁中的势能时，梁弹性地朝着其停止位置或常态位置的方向返回。这样做时，强加于压电板上的应力被释放，这在压电元件的输出终端处生成电功率脉冲。由压电元件生成的电功率可以从其输出终端被连接到诸如射频线圈的负载。连接到线圈的压电换能器元件的电容提供产生在特征频率处的电振荡的谐振回路电路，其是由来自压电换能器的输出电压的脉冲激发的。该电压可以被调整并且被存储在存储电容器上，用于供其它电子部件使用，并且高频振荡也可以被用于提供可以被远程检测器检测的射频(RF)信号。除了机械到电的转变以外，电容器中的存储电荷还被突然地释放来产生电流脉冲，所述电流脉冲依次激发包含悬臂结构的容器的所有基谐波腔模式。在腔中激发的并且在压电元件电路上的RF模式可以被耦合。RF能量可以被辐射远离设备，以由远方的接收器接收。
该设备的缺点在于输出RF信号的频率是由系统的等效电容和电感来确定的。共振腔和等效电路的品质因数通常是低的，使得脉冲中的能量分布在频率的范围内，这阻止了在接收电子中存在相位噪声的情况下在任何可感知的距离上的精确的频率测量。此外，腔和电路谐振频率是部件的大小和介电性能的函数，其可以随着设备而改变，这是因为非光刻方法通常用于制造设备。关于发射频率的更严格的容差被高度地期望用于向一个发射器指定给定的频率，并且还能够进行窄带脉冲测量，其通常可以以较高的信噪比被完成，这是因为噪声在检测的窄带中是较低的。
鉴于与现有技术相关联的缺点和挑战，发明人已经认识到对本文上面所描述的在其中可以精确地控制RF频率的自供电设备的需要和益处。发明人还认识到包括例如如自主发射应答器、诸如RF识别标签(RFID)的数据遥测和传输设备、自主传感器以及本领域技术人员公认的其它设备的此类设备的有利的应用。
通过具体的发明实现这些和其它优点和益处，下面将参照附图来详细描述这些和其它优点和益处。
发明概述
本发明的实施方式是自供电设备，所述自供电设备包括放射性同位素供电的电流脉冲(即，放电)发生器和互连的压电表面声波(P-SAW)装置。电流脉冲发生器还包括弹簧组件，弹簧组件包括具有连接到底座的至少一个固定端和可往复运动的区域的悬臂，以及放射性粒子发射器。P-SAW装置具有并联地电连接到电流脉冲发生器的输入端口和输出端口。弹簧组件的悬臂可以具有多种形式。例如，在非限制性方面，悬臂是具有固定的近端和可自由往复运动的远端的简单的悬臂梁。在非限制性方面，悬臂是具有两个固定端和中间的可往复运动的区域的两端固定(clamped-clamped)的悬臂。在非限制性方面，悬臂是具有固定的近端和可自由往复运动的远端的蜿蜒梁，其可以包括放射性粒子收集器。放射性同位素供电的电流脉冲发生器包括放射性粒子发射器，所述放射性粒子发射器连接到悬臂的可往复运动的区域或者在高于或低于悬臂的可往复运动的区域的相对距离处的弹簧组件。如果放射性源未被连接到弹簧组件本身，则不论悬臂的形状系数如何，悬臂应当具有足够的区域以收集由放射性源发射的电子。如果悬臂不具有足够的区域，那么放射性粒子收集器可以连接到悬臂的可往复运动的区域。在非限制性方面，弹簧组件在真空环境中在结构上与P-SAW装置结合。在非限制性方面，RF天线可以耦合到P-SAW的输出端口。在非限制性方面，P-SAW结构可以包括例如在输入端口与一个或多个输出端口之间的传感器或RFID标签。根据非限制性方面，设备可以包括多个电流脉冲发生器和P-SAW结构。在非限制性方面，多个放电悬臂可以连接到不同的谐振(载波)频率P-SAW结构。来自一个悬臂的单个触发器可以同时激发可以在单个接收器处被接收的多个RF脉冲，从而允许发送多传感的信息。
本发明的实施方式针对一种用于生成具有调谐的信号频率的RF信号的方法。该方法包括以下步骤：通过来自具有充电循环和放电循环的自主放电系统的能量脉冲来生成能量；向以谐振频率为特征的压电-SAW(P-SAW)结构的输入端输入能量，其中，在充电循环期间，在P-SAW结构中存储能量的电成分和能量的机械成分；在放电循环期间，激发P-SAW结构的谐振频率；以及自P-SAW结构的输出端口输出具有被调谐到P-SAW谐振器频率的频率的RF信号。
将在随后的详细描述中提出本发明的附加的特征和优点，并且对于本领域技术人员来说通过该描述本发明的附加的特征和优点将是部分容易显然的或者通过实践本文所描述的、包括随后的详细描述、权利要求以及附图的本发明的附加的特征和优点被认识到。
应当理解的是，前面的概括描述和下面的详细描述仅仅是本发明的示例，并且旨在提供用于对要求保护的本发明的属性和特征进行理解的概述或框架。附图被包括以提供对本发明的进一步理解，并且被包含在该说明书中且构成该说明书的一部分。附图示出了本发明的各个实施方式，并且与描述一起用于解释本发明的原理和操作。
附图简述
通过结合附图来阅读下面的详细描述，将更全面地理解并清楚本发明，其中：
图1是根据本发明的非限制性的说明性方面的装置的示意性的侧视图；
图2(a-c)示出根据本发明的非限制性的说明性方面的具体设备的弹簧组件的悬臂形状系数；
图3是示出本领域公知的放电部件的操作的示意图；
图4是图1中所示的装置配置的示意性电路图；
图5(a，b，c)是根据本发明的非限制性的说明性方面的原型悬臂组件的照相复制、悬臂组件的示意性结构图以及等效电路图；
图6是根据本发明的非限制性的示例性实施方式的装置的示意性透视图；
图7是根据本发明的非限制性的说明性实施方式的在图1中示出的、具有连接到放电系统的两个端口SAW谐振器的原型装置的照相复制；
图8是图1的P-SAW发射应答器在放电过程期间的简化电路模型的示意性电路图；
图9是来自包括315MHz P-SAW谐振器的示例性装置的经测量的RF信号波形的图示；
图10示出图9中所示的被检测的信号的快速傅里叶变换(FFT)；
图11是在图9中所示的经滤波的RF信号和经滤波的SAW信号之间的时间延迟的图示；
图12是根据本发明的另一个非限制性的说明性方面的装置的示意性侧视图；
图13是图12中所示的装置配置的示意性电路图；
图14是根据本发明的另一个非限制性的说明性方面的装置的示意性侧视图；
图15是根据本发明的另一个非限制性的说明性方面的装置的示意性侧视图；
图16是根据本发明的另一个非限制性的示例性实施方式的装置的示意性透视图；
图17(a，b，c，d)是根据本发明的说明性实施方式的示出系统的操作的、与经微型加工的放电系统结合在一起的经微型加工的SAW谐振器的示意性透视图；
图18(a)是根据本发明的非限制性的说明性实施方式的原型多装置设备的照相复制；图18(b)示意性地示出与图18(a)中所示的多装置设备类似的多装置设备的连接；
图19是根据本发明的另一个非限制性的示例性方面的具有多个输出端口的装置的示意性透视图；
图20示意性地示出根据本发明的非限制性的示例性方面的在其中中心电极连接到外部电路的装置；
图21是根据本发明的说明性方面在图19中示出的设备的输出的图示；以及
图22是根据本发明的说明性方面的示例性设备的输出的图示。
本发明实施方式的详细描述
对于本发明的当前的示例性实施方式现将详细地作出参考，在附图中示出其实施例。无论哪里只要有可能，将遍及附图使用相同的参考数字以指出相同的或相似的部分。
图1示意性地示出根据本发明的示例性实施方式的放射性同位素供电的、压电表面声波(P-SAW)设备100-1的横截面。设备100-1包括弹簧组件20，所述弹簧组件20是由在其近端102处固定于底座103的简单的悬臂梁101组成。梁的远端104自由地向上和向下往复运动。该装置还包括放射性同位素源105、介电绝缘体106、底部电极107以及可选择地与放射性粒子源相对地连接到梁的远端的放射性粒子(例如，电子)收集器108。注意的是，梁本身可以具有足够的表面区域来收集电子，而无需连接到其上的单独的收集器，如下面更详细描述的。可以反转辐射性同位素源和(可选的)放射性粒子收集器的相对位置。P-SAW结构110被电连接到设备或者形成设备的一部分。
虽然依据示例性实施方式的描述讨论了包括图2a中说明性地示出的简单的悬臂梁20-1的弹簧组件，但是可以使用其它悬臂形状系数。例如，图2b示出两端固定的(clamped-clamped)悬臂20-2，其中，梁的两端被固定并且梁的中间区域自由地往复运动以响应于本文所描述的放射性粒子的收集和最后的放电。图2c示出另一个非限制性的悬臂形状系数20-3如蜿蜒梁101的悬臂形状系数。如图2c中进一步所示，粒子收集器108被连接到蜿蜒梁的自由远端以提供足够的粒子收集区域。因此，不论弹簧组件的往复运动结构的形状系数如何，术语“悬臂”将在本文中用于表示该部件。
在图3中示出根据本发明的说明性方面的放射性同位素供电的弹簧组件的操作，如从第6,479,920号和第7,301,254号美国专利所获知的，所述美国专利的主题在适用的法律和条例允许的最大程度上以引用的方式全部并入本文。金制的悬臂(5cm×0.8cm×300μm)被放置在具有1.5mCi放射性的63Ni放射性薄膜上方约500μm的位置处。由于β粒子(电子)的连续发射，在电气绝缘的63Ni薄膜上积聚正电荷，发射的β粒子(电子)在金制的悬臂上收集的。积聚的电荷随着时间增加，从而增加了静电力，所述静电力最终将悬臂拉到放射性同位素薄膜中。当悬臂与放射性源之间的间隙足够小时，通过间隙发生放电。当消除静电力时，梁振荡并且过程自身会重复。当悬臂与放射性源之间的间隙约为500μm时，例如，向下拉的循环需要约3分钟。当悬臂到达源时，遂穿和基于直接传导的电流导致非常短(＜1ns)的放电脉冲。在悬臂的往复运动周期内累计的能量也在非常短的时间内释放，从而自放射性源生成大大放大的功率。
放电生成瞬时的磁场和电场，所述瞬时的磁场和电场可以激发腔的RF模式，在腔中放电发生。在该示例性实施方式中，金制的悬臂和63Ni源放电系统被装在被抽空并密封的较小的玻璃真空室里面，如图5a所示。室被连接到真空泵并且被泵到降至10-2mTorr。使用6mm厚的特氟纶(Teflon)板将金制的悬臂和63Ni源二者保持在适当的位置处。在图5b、图5c中分别示出结构的连接和等效的电路模型。
自腔传播的生成的RF模式具有较大的带宽，并且RF信号频率未被可靠地设置。这可能是因为例如由损耗引起的共振腔的较低的品质因数，损耗诸如腔金属边界条件中的透入深度和腔结构的介电常数的复数部分。根据本发明的实施方式，具有压电晶体基底的SAW谐振器(在下文中称作P-SAW)可以被连接到悬臂放电组件，如图7中机械地示出的和如图4中在电学上所示的。在P-SAW谐振器中，谐振频率由在用作P-SAW的输入端口173的叉指电极(IDT)171的指状物之间的间隙λ来确定，如图6中示意性示出的，图6示出放置在输入IDT 173与输出IDT 174之间的可选的感测膜175。在该示例性实施方式中，P-SAW谐振器具有315MHz的谐振频率。当通过放电在输入IDT 173处激发P-SAW时，声(SAW)波沿着压电基底的表面传播并且在输出IDT 174处被检测。P-SAW设备能够实现两端口操作。在设备的各个电容之间共享由放射性同位素发射的电荷，所述电容包括在放射性同位素源与悬臂之间的时变的间隙电容、在放射性同位素源与封装电极(package electrode)之间的电容以及在悬臂与封装之间的P-SAW输入端口电容。由于金属线和悬臂到封装电介质的额外的寄生电容也存在。由于压电基底，P-SAW输入终端上的存储电荷导致在电极下方的机械应变场。当放电发生时，P-SAW输入电极上的电荷被放出同时电流跨过输入端口被转移。存储的机械能和放电感应的机械能作为传播到SAW输出端口的机械表面波被释放。由于纯电容是存在的，在输入端口处的阻抗可能非常高，而输出端口可以连接到任何期望的阻抗，例如，与RF电子装置相关联的50欧姆。
自供电的P-SAW发射应答器可以被建模为如图4中所示的具有并联地连接的SAW谐振器的RLC电路，带有在表1中列出的部件。图4的右侧方框中的电路代表放电系统，而左侧方框中示出SAW谐振器的等效电路，其中，ZL代表负载阻抗。在充电循环期间，电能被存储在放电系统电容器和SAW谐振器输入接地耦合电容器二者中，同时机械能被存储在悬臂和P-SAW谐振器的压电基底中。当放电跨过间隙发生时，在间隙上产生亚纳秒高功率电流脉冲，其激发在放电系统的RLC电路中的振荡持续几百纳秒，而同时存储于SAW电容器和基底中的能量激发P-SAW谐振器在其谐振频率处。两个信号都在P-SAW设备的输出端处被测量，其中，SAW信号具有等于信号以SAW速率从输入IDT传送到输出IDT所需的时间的延迟。来自放电系统的RF信号通过电容耦合到达P-SAW输出端而没有SAW过渡时间延迟。增加输出端口上的电压，因而输出端处的来自P-SAW谐振器的能量可以改进一距离，在该距离上可以建立RF链路。在充电过程期间，可以将图4中的等效电路简化为图8中所示的等效电路，这是因为SAW谐振器未被激发。为了增加输出SAW信号的幅度，应当在放电时使节点A处的电压(VA)最大化。放电电压仅由在梁与放射性同位素源之间的间隙确定。在SAW谐振器中存储的总能量也可以通过增加在输入IDT处的指状物的数量来增加，而无需通过增加Cin的值来改变VA。因此，用于增加发射应答器的输出信号的一种策略是使放电系统中的可能的可操作间隙最大化，并且使P-SAW设备的输入IDT处的指状物的可能数量最大化。这将使Cin/Csource的值最大化，同时使Cin+Csource保持恒定以使往复运动的时间保持恒定。
还可以通过沉积具有各种感测特性的膜或者在输入IDT与输出IDT之间的其它信号调制部件，来实现P-SAW传感器，其中所述信号调制部件可以调制在输出端口处检测的信号(如下面更详细描述的)。
在本文所描述的放射性同位素供电设备的实施方式中，在来自镍-63(或者其它适当的放射性同位素)薄膜的放射电子中的放射性同位素能量被用于静电地给悬臂充电；P-SAW谐振器被连接以使SAW设备的高阻抗端口与电荷收集悬臂并联。当悬臂上存储的电能突然被释放时，P-SAW谐振器在输入端口处的机械能和电能被释放时被激发。
为了测试上述的原型设备，315MHz SAW谐振器(RPM RP1239)在其输入端处被连接到金制的悬臂，且输出端以50欧姆的输入阻抗被连接到高带宽示波器(LeCroy WaveMast 8500)。悬臂与放射性同位素源之间的间隙被固定在～500μm，其给出约3分钟的充电时间。
在图9中示出记录在示波器上的来自发射应答器的RF信号。信号包括两部分：由放电系统的LC电路生成的RF信号，其在约5V的最大峰峰电压的情况下持续约100ns，以及来自P-SAW谐振器的信号，其在0.2Vpp的情况下持续～10μs。P-SAW脉冲中的总能量被计算为2nJ，而RF脉冲中的总能量为5nJ(其通过在RF信号持续时间上对功率进行积分来计算)。
在图10中绘制图9中所示的变换的信号的FFT。示出具有品质因数(Q)1540的来自315MHz P-SAW设备的信号成分，同时放电LC系统具有274MHz的频率和60的Q。P-SAW谐振器信号具有200ns的延迟，其通过比较分别在315MHz和274MHz处带通滤波的信号来测量(图11)。也可以使用434MHz P-SAW谐振器来测试系统。具有1560的品质因数和277MHz(Q＝70)放电RF频率的434MHz P-SAW信号被检测。
现在将根据另一个非限制性方面来描述如图12中所示的自供电的压电SAW(P-SAW)发射应答器100-2，其中，放射性同位素供电的弹簧组件在结构上被集成在抽真空罩中的P-SAW部件上。
装置100-2包括与如图1中所示的装置100-1的部件相同的部件。弹簧组件20是由在其近端102处固定于底座103的悬臂梁101组成的。梁的远端104自由地向上和向下往复运动。该装置还包括放射性同位素源105、介电绝缘体106、底部电极107和放射性粒子(例如，电子)收集器108(必要时)。可以反转放射性同位素源和放射性粒子收集器的相对位置。P-SAW换能器110也形成装置的一部分。P-SAW具有IDT输入端口173和至少一个IDT输出端口174-1。此外，示出可选的、集成的RF天线180连接到输出端口174-1。
根据本方面，经微型加工的弹簧组件20在结构上与P-SAW部件110结合在一起，如图16所示(其示出放置在输入IDT 173与单个输出IDT174-1之间的可选感测膜175)。图17(a-d)示出装置100-2的操作。在图17b中，悬臂梁收集63Ni电子，同时63Ni膜成为充正电；P-SAW输入IDT也被充电。当电压在悬臂间隙上积累时，梁收集器和发射器部分被吸引靠近，直到存在放电为止。在P-SAW输入IDT中存储的能量激发SAW波，所述SAW波传播到P-SAW输出IDT，如图17c中所示。在图17d中，通过经微型加工的RF天线来无线地发送RF信号。
像之前一样，P-SAW谐振器被连接以使P-SAW设备的高阻抗端口与电荷收集悬臂并联连接。在P-SAW端口与非线性电容器之上共享发射的电荷，从而导致P-SAW设备中的正应变。由于应变释放和由于突然的电荷释放引起的感应位移电流，生成SAW脉冲。在3-5分钟期间收集的P-SAW谐振器能量在数纳秒内被释放，这在微秒的时标内激发SAW波。这导致收集到释放的功率放大为108。
根据非限制性的示例性方面，厚度为30μm、长度为4mm到8mm的多个单晶悬臂通过在SOI晶片上使用两步的深反应离子蚀刻(DRIE)工艺被微型加工，并且被装配在各自的1.5毫居里的63Ni源的旁边，63Ni源被装在1cm×1cm×0.5cm的真空封装内部，如图18a所示。经由在128°的Y-截割铌酸锂晶片上的铝(厚度为500nm)剥离(lift-off)工艺来制备各自的P-SAW谐振器。制备各种频率的P-SAW谐振器部件，在输入和输出端口处具有35对叉指换能器(IDT)。系统的等效电路是由脉冲发生器侧和接收器侧上的SAW等效电感组成，如图13示意性所示的，具有表1中列出的部件。右侧的虚线方框中的电路代表放电悬臂，而左侧虚线方框中示出P-SAW谐振器的等效电路。如图18a中所示的真空封装被泵浦降至10-5Torr，并且通过将焊料层熔化在封装的边缘上来进行密封。
以连接到63Ni放电系统的100MHz P-SAW谐振器，在50Ω的示波器负载上测量P-SAW RF输出信号，而使用天线无线地测量来自放电系统的RF输出。以5mm的梁长度，来自放电系统的RF信号显示了1.31GHz的频率，其具有～40的(较低的)品质因数。表明了具有5mW的最大输出功率和10μs的持续时间的P-SAW RF信号。
如图18b所示，可以在如图18a中所示的真空封装中部署多个放电悬臂和P-SAW结构。在非限制性方面，悬臂中的每一个可以连接到不同的P-SAW结构。例如，多个P-SAW结构可以被涂覆有不同的敏感膜，并且通过调谐IDT指状物间距被设置在不同的载波频率处。来自一个悬臂的单个触发器可以用于同时激发多个RF脉冲，并且RF脉冲可以在单个接收器处被接收，从而允许发送多传感的信息。
具有超出400的品质因数，用相同的SAW调谐的接收器可以从相距几百英尺的位置处检测RFID信号。针对相同的放电事件悬臂处的RF信号也被测量，并且针对如图22中所示的P-SAW信号750ns的信号延迟被检测，该信号延迟是由于在它的输入IDT与输出IDT之间的3mm的间隙而引起的。
系统的转换效率η可以被定义为被检测的SAW波中的能量除以收集的放射能，其被表达为：
η＝ESAW/Erad＝(QV2/2Rf)/TrecEeA
其中，ESAW和Erad分别是SAW输出能量和放射性同位素的输入能量；Q和V分别是输出SAW信号的品质因数和电压；R是负载电阻(50Ω)；Trec(180s)是放电系统的往复运动周期；以及Ee和A分别是平均电子能量(17keV)和放射性源的放射性(1.5mCi/cm2)。这里介绍的原型设备具有0.06％的转换效率。
为了改进集成的RFID系统的转换效率，我们分析了在悬臂放电循环中的能量转换过程。假设真空间隙上的泄露为0，则当真空间隙上的放射性同位素发射的电子到达收集器时，放射性同位素动能被转换成电动机械能和热能。热能是由于在悬臂中耗散的电子动能引起的，而电动机械能被存储在悬臂中、空气间隙上、P-SAW谐振器的输入端口上以及系统中的其它电容上。
为了减小在放电循环内转换成热能的放射性能量的百分比，可以通过增加间隙来增加真空间隙上的平均电压。因此，通过克服即将发生的电场(impending electric field)而不是生成热，更多的放射性同位素动能将转换成静电能。因为如图13中所示的，只有存储在P-SAW结构的输入端口上的电动机械能对输出RF信号有贡献，因此这些电容可以被增加，同时减小等效电路中的其它电容。阻抗匹配和寄生现象的减少还可以增加总的转换效率。
使用作为传输频率选择器的P-SAW结构来实现示例性的经微型加工的63Ni放射性同位素供电的RFID发射应答器。该装置通过使用1.5mCi的63Ni源，在50Ω负载上每隔3分钟达到5mW、10μs长、100MHz的载波包络脉冲。因为频率由SAW设备确定，因此使用相同的SAW设备的窄带检测将能够实现长距离RF链路的可能性。
我们通过使用MEMS微型加工和真空封装，实现小于1cc体积的集成装置。因为63Ni的半衰期是100年，因此集成的发射应答器可以自主地工作持续几十年。这些设备可以被深深地埋入诸如钢铁和混凝土的结构构造的内部，其中替换电池和获取振动的或EM能量是不可靠的。
还可以通过集成的或连接的质量传感器或RFID代码来调制P-SAW换能器的频率。可以将激发和接收IDT对之间的感测膜或编码不固定的IDT指状物181集成到这种设备中，如图19中所示出的。例如，铝指状物181被沉积在输入端口173与输出端口174-1中的一个之间以创建质量负载效应，同时在第二输出端口174-2处测量的信号被用作参考。在悬臂放电以后，在输入端口处生成的P-SAW信号朝着两个输出端口的方向传播。由于质量负载效应，因此由于负载指状物，在输出端处产生了在100MHz中心频率处的14kHz的频移，如图21中所示，从而在输出端处生成拍音。
除了通过使用不固定的或接地的IDT指状物来实现RFID以外，中心电极区域中的每一个可以通过由模拟电路或数字电路182提供的电压来驱动，以使指状物电压值指示要发送的信息。模拟电压将影响反射并发送的脉冲，以修改发送的脉冲。在图20中示意性地示出了这样的实施方式。
P-SAW传感器可以被制造并集成到装置中，以实现完整的微型的自供电的无线传感器节点。
图14和图15示出图1和图12中所示的装置配置的可替换的装置配置。
表I
| 部件 | 代表 | 值 |
| Cbeam | 梁接地电容 | 8.3pF |
| Csource | 源接地电容 | 8.3pF |
| I(t) | 空气间隙电流 | - |
| L | 放电系统电感 | 72nH |
| Cin | 输入SAW IDT电容 | 2.2pF |
| C0 | 输出SAW IDT电容 | 2.2pF |
| Lsaw | SAW等效电感 | 758μH |
| Csaw | SAW等效电感 | 0.337fF |
| Rsaw | SAW等效阻抗 | 84Ω |
除非本文另外指出或者与上下文明显地相反，否则术语“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”以及在描述本发明的上下文中(特别是在下面的权利要求的上下文中)的类似引用的使用要被解释成覆盖单数形式和复数形式二者。除非另外注释，否则术语“包括(comprising)”、“具有(having)”、“包括(including)”和“包含(containing)”要被解释为开放式术语(即，意味着“包括但不限于”)。术语“连接到”要被解释为部分地或完全地包含在其中、连接到其上或者结合在一起，即使存在插入其中的某事物。
除非本文另外指出，否则本文的值的范围的列举仅意指用作个别地指出落入该范围的每个单独的值的简略方法，并且每个单独的值被并入说明书中，就如同它在本文中被个别地列举一样。
除非本文另外指出或者与上下文明显地相反，否则可以以任何适当的顺序来执行本文所描述的所有方法。除非另外要求保护，否则本文提供的任何和所有实施例或示例性的语言(例如，“诸如”)的使用仅用于更好地阐明本发明的实施方式，而不对本发明的范围强加限制。说明书中没有语言应当被解释为将任何未要求的要素指示为对于本发明的实践是重要的。
虽然本发明能容许各种修改和可替换的形式，但是已经在附图中示出了其具体的实施例，并且在本文中详细描述了这些实施例。然而，应当理解的是，本发明不限于所公开的特定形式或方法，但相反地，本发明将覆盖落入所附的权利要求的精神和范围内的所有修改、等价物和替换。
Claims (24)
1.一种自供电设备，包括：
放射性同位素供电的电流脉冲发生器，其包括弹簧组件，所述弹簧组件包括具有连接到底座的至少一个固定端和可往复运动的区域的悬臂，所述电流脉冲发生器还包括放射性粒子发射器；
压电表面声波P-SAW结构，其包括输出端口和并联地电连接到所述电流脉冲发生器的输入端口；以及
RF天线，其被耦合到所述P-SAW结构的输出端口。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述悬臂是具有固定的近端和可自由往复运动的远端的悬臂梁。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述悬臂是具有两个固定端和中间可往复运动的区域的两端固定的悬臂。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述悬臂是具有固定的近端和可自由往复运动的远端的蜿蜒梁。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述P-SAW结构的输入端口被电耦合到所述弹簧组件、接近所述悬臂的至少一个固定端。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述P-SAW结构的输入端口被电耦合到所述弹簧组件、接近所述悬臂的所述可往复运动的区域。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述弹簧组件在真空环境中与所述P-SAW结构在结构上结合。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述弹簧组件被放置在真空环境中，并且所述P-SAW结构被放置在非真空环境中。
9.根据权利要求1所述的设备，还包括放射性粒子接收器，该放射性粒子接收器被连接到所述悬臂的可往复运动的区域和在高于或低于所述悬臂的可往复运动的区域的相对距离处的所述弹簧组件中的一个。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述输入端口和所述输出端口中的每一个包括多个叉指电极。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述输入端口的叉指电极具有选定的间隙间距，所述选定的间隙间距确定所述P-SAW结构的选定的谐振频率。
12.根据权利要求1所述的设备，其包括多个弹簧组件和具有不同的谐振频率的互连的P-SAW结构。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述P-SAW结构包括被放置在所述输入端口和所述输出端口中间的信号调制部件。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述信号调制部件包括以下中的至少一个：质量传感器和具有叉指换能器IDT指状物的RFID代码。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述IDT指状物被连接到外部模拟电路和数字电路中的至少一个。
16.根据权利要求9所述的设备，其中，所述放射性粒子发射器与所述放射性粒子接收器之间的距离是使能量输出最大化的最大可操作距离。
17.根据权利要求10所述的设备，其特征在于所述放射性粒子发射器与所述放射性粒子接收器之间的可操作距离被最大化，以及所述输入端口的叉指电极具有数量被最大化的电极指状物。
18.根据权利要求1所述的设备，其特征在于镍-63放射性同位素供电的P-SAW结构。
19.一种用于生成具有调谐的信号频率的RF信号的方法，包括：
通过来自自主放电系统的能量脉冲生成能量，所述自主放电系统具有充电循环和放电循环；
向以谐振频率为特征的压电表面声波P-SAW结构的输入端口输入所述能量，其中，在所述充电循环期间，存储所述能量的电成分和所述能量的机械成分在所述P-SAW结构中；
在所述放电循环期间，激发所述P-SAW结构的所述谐振频率；以及
从所述P-SAW结构的输出端口输出频率被调谐到所述P-SAW结构的所述谐振频率的RF信号。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，通过来自自主放电系统的能量脉冲生成能量的步骤包括收集来自放射性源的发射的电子，以产生放电。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述放电循环具有等于或小于一纳秒的持续时间。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述充电循环具有在3分钟至5分钟之间的持续时间。
23.根据权利要求19所述的方法，其中，所述P-SAW结构的所述输入端口是由叉指换能器电极组成的。
24.根据权利要求19所述的方法，其中，输出所述RF信号的步骤还包括经由被放置在所述P-SAW结构的所述输入端口与至少一个输出端口中间的信号调制部件来调制所述RF信号。
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