CN102686507B - 能量采集的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种装置（100），从振动和/或应变中采集能量并且使用电容性元件（102a、102b）和压电元件（105）这两者。操作原理是平面外电容性采集器，其中用于电容性元件的偏置电压利用压电元件（105）产生。该装置在电容器板（102a、102b）之间使用薄介电膜（104），从而将采集的能量最大化并且使采集器能够在半接触模式下操作，以便防止短路。例如，当被使用在车轮或类似物中时，在车轮的每次冲击或者每次转动中电容器关闭和打开，因此是不依赖于采集器的机械共振频率。

Description

能量采集的方法和装置
技术领域
本发明涉及从振动、应变、转动和/或冲击采集（harverst）能量的装置和方法。
背景技术
在过去的几十年中，为例如无线传感器供电的需要已经促使了关于从环境中采集能量的研究活动。如果能量通过电线提供，或者如果电池具有有限的工作时间、庞大的尺寸和很大的重量，则无线通信能力不能被完全地利用。
能量采集机理取决于环境和应用。各种不同的能量源已经被提出：光、热（热梯度）、应变、振动、电磁场、动力学、气流、压力变化和放射性材料，以及还有振动。
用于能量采集的众多被研究应用中的一个是例如汽车轮胎压力监控系统TPMS。在市场上已经存在电池操作的装置，但是采集器将增加这些系统的操作时间。TPMS所需的功率水平目前在100μW的范围内。这比已经公开的典型现有技术装置所报告的大至少10倍。但是，在采集的功率水平正在提高的同时，这些应用所需的功率水平不断地降低。看起来似乎某一天这些水平将相会。
存在已知的一些现有技术的能量采集器，比如US2007/0125176A1，其中披露了具有微机电结构的能量采集器，该微电机结构被构造为分别以不同的频率共振的多个构件，以使得该结构可以响应多个不同的振动频率。压电材料把振动转换成在该结构的至少一部分上的电压差。
此外，WO2007044443披露了在使用基于轮胎压力的能量清除器（scavenger）为轮胎监测系统中的电子装置供电的解决方案，其中由轮胎的旋转引起的压力变化通过换能器（transducer）转换成电能，该换能器具有表面被涂覆了导电层（1112）的外壳、以及超薄（大约100纳米）介电膜（1114），以保证导电膜片不会与刚性外壳上的导电层实际地形成电接触。
WO2007044443也教导了将可变电容器换能器作为基于压力的能量清除器，其中刚性外壳（1110）被用来在弹性体膜片（1120）与刚性外壳（1110）之间形成空气间隙可变电容器，以及其中可变电容器不是由膜片的尺寸变化而形成，而是通过改变膜片与刚性外壳之间的间隙而形成。膜片的表面需要是导电的。
此外，WO2007121092A1披露了能够从环境振动中采集能量的压电功率生成器。该生成器包括支撑压电板的介电框架，所述压电板具有上电极和形成在下电极上方的压电层以及介电层和形成在压电层上的端部质量（endmass）。该端部质量提供重量以使压电板在框架内运动（振动）并且导致电功率的产生。生成器优选地通过微机电系统（MEMS）过程形成。
但是，一些缺点涉及已知的现有技术的解决方案。例如大部分能量采集器只有对特定的共振频率有效地起作用。此外，被设计以响应多个不同振动频率的装置典型地由分别以不同频率共振的多个构件组成。但是，具有多个构件的装置制造非常复杂。此外基于电容的能量采集器需要用于提供偏置电压的电池以适当地开始操作。而且许多已知的采集器对于超过预期使用限度的振动是易损坏的。
发明内容
本发明的一个目的是克服或者至少缓解已知现有技术解决方案相关的缺点，比如将采集的能量最大化而不针对特定的频率来限制采集器的机械共振频率。此外，本发明目的在于使能量采集器的制造过程容易。
本发明的目的通过独立权利要求中披露的特征来实现。
根据本发明的一个实施方式，两个电容器板彼此基本平行地设置在采集器的采集模块中，以使得在所述板之间形成间隙。第一板适于由于振动、应变、转动和/或冲击而在与第二电容器板基本上垂直的方向上运动（来回运动），于是在所述装置的振动、应变、转动和/或冲击的期间，所述间隙的体积交替地减小和增大，有利地连续地最小化和最大化。来回运动因此改变了所述板之间的电容量并且电功率被产生到功率输出端。由于板的运动是在朝向电容器板的基本上垂直的方向上，因此操作原理是平面外（out-of-plane）电容采集器。
此外，薄介电膜被用在电容器板之间以最大化被采集的能量（以及使采集器能够在半接触模式下操作）。而且，根据本发明，压电元件连同采集装置一起使用，以从振动和/或应变中产生到达电容器采集模块的偏置电压，以使能实现电容器采集模块的功能。电容器采集模块需要偏置电压以从平衡位置（restposition）启动。
根据一个实施方式，压电元件除了产生偏置电压之外也被用于从振动和/或应变中产生到达功率输出端的电功率。由于输出功率由电容性特征和压电特征两者产生，因此这提供了采集装置的效率。
根据本发明一个实施方式，弹簧元件被连接到电容器板。弹簧元件被用来使所述板能够相对于另一电容器板来回地振荡。例如当冲击使所述板从平衡状态偏离时，弹簧有利地使板返回，因此形成交替运动。弹簧常数有利地被选择为使得达到共振板的最大振幅以及使得所述间隙在所述装置的振动、应变、转动和/或冲击的期间最小化和最大化。
根据本发明的又一实施方式，该装置设有质量元件。质量元件被连接到电容器板，以使得该质量元件使所述板能够由于质量惯性而相对于所述另一电容器板更有效地来回振荡。质量有利地被选择成使得达到共振板的最大振幅以及使得所述间隙在装置的振动、应变、转动和/或冲击的期间最小化和最大化。通常，该质量被选择为尽可能重，因为该质量越重，则被采集的能量越多。这是因为该质量越大则动能也越大，并且因此从运动中采集的能量也越大。应当注意到，质量元件可以独立于或者附加于在这个文献中前面讨论的弹簧元件来使用。
此外根据本发明的一个实施方式，电容器板相对于彼此运动进入半接触模式。换句话说，当间隙最小化时所述板尽可能地相互靠近，并且实质上仅仅被薄介电膜分隔。介电膜或者突块（bump）充当机械止动器，并且从而保护电容器板不受磨损和短路，以及防止采集器结构在振动超过预期使用限度的情况下破坏。所述膜的高介电常数将在具有适度的弹簧位移幅度的打开和关闭位置处的电容量差最大化。介电薄膜可以包括例如氧化硅、氧化铝或者DLC（类金刚石碳）。根据一个实施方式，所述膜的厚度有利地是最大25纳米。优选的是，弹簧和质量被设计成使得电极在采集器的特定对准/位置处（可能是在采集器的静止状态下，以及至少在采集器的正常使用中）经由介电膜相互接触。例如，如果采集器在其正常使用中旋转，则采集器被设置成在每个旋转的期间到达这种位置。因此，所述电极在每一转动时通过所述膜接触，并且在采集器的这个加载周期实现高的/最大的电容量。在工作周期中，当电极后退而相互分离时，高的/最大的能量因此被获得。在振动应用中，例如，加载周期和工作周期在振动循环期间以对应的方式重复，由此电极在振动的加载周期相互接触。在加载周期期间，偏置电压优选地被施加到电极上。
本发明可以被应用在振荡、振动、往复运动、转动和/或冲击系统（比如车轮或者轮胎）中，或者任何其他的振动机器和装置，像加工工业中的设备和管线。
本发明的电容能量采集器例如可以使用微系统技术（MicroSystemTechnology，MST））制造，因此本电容能量采集器可以与电子器件集成为一体。这个发明能够为低功率应用提供小的、集成的、并且可负担的能量采集器。
本发明提供了相对于已知的现有技术解决方案的明显优点，比如由于例如半接触模式而最大化采集的能量以及通过使用薄介电膜而最大化电容量变化。此外，由于压电膜被用来产生用于电容器采集器的偏置电压，因此不需要额外的电池以使电容器采集器能够发挥功能。而且，由于电容器板之间的间隙将在每次冲击时打开和关闭，因此根据本发明的采集器是不依赖于部件的机械共振频率的。此外，由于内置止动器在大加速度下保护运动部件，因此采集器结构是耐用的。所述板之间的薄膜也保护电容器板免于磨损和短路，所述薄膜在其一方面还保护采集器结构在振动超过预期使用限度的情况下免于破坏。采集器结构的制造也是简单、容易且成本效率高的，因为所述采集器结构可以利用已有的方法和工具来加工，比如SOI（绝缘衬底上的硅技术（Silicononinsulatortechnology））或者MEMS（微机电系统）技术。
此外，本发明的能量采集器可以与不同种类的电子装置集成。因为本发明的采集器代替了常规的电池和电源，所以所述采集器也不需要改变电池和/或加载电源。特别地，所述采集器对于为无线应用供电是理想的。此外，例如MEMS的使用提供了用于制造采集器部件的紧凑且成本效率高的解决方案，同时使得能够实现小规模的生产。
附图说明
下面将参考根据附图的示例性实施方式更详细地描述本发明，附图中
图1A-图1B图示了根据本发明的有利的实施方式的用于从振动、应变、转动和/或冲击中采集能量的示例性装置，
图2图示了根据本发明的有利实施方式的能量采集装置中的示例性弹簧和/或质量构造，
图3图示了根据本发明的有利实施方式的能量采集装置的示例性倒装芯片安装，以及
图4图示了根据本发明的有利实施方式的能量采集装置的示例性的切换图。
具体实施方式
图1A-图1B图示了根据本发明的有利实施方式的用于从振动、应变、旋转和/或冲击中采集能量的示例性装置100，其中在图1A-图1B中也显示了装置100的操作原理，其中所述装置在打开位置并且在图1B中在关闭位置。
装置100有利地包括电容器采集模块，该电容器采集模块包括彼此基本上平行设置的两个电容器板102a、102b，使得所述板中的至少一个板102a适于由于振动、应变、转动和/或冲击而在与另一个电容器板102b基本上垂直的方向上运动，并且从而在所述板之间形成可变间隙103。由于距离变化，因此在板102a、102b之间的电容量也变化，并且因此电功率也产生到功率输出端。例如，当装置100使用在车轮中时，在车轮的每次冲击或者每次转动中电容器关闭和打开，并且因此电容器不依赖于采集器的机械共振频率。
所述装置有利地还包括设置在电容器板102a、102b之间的薄介电层或者膜104，以便将采集的能量最大化并且使采集器能够以半接触模式操作，其中所述板实质上仅仅通过所述薄介电膜分隔，如在这个文件中前面讨论的一样。介电膜104的厚度d2有利地是最大25纳米，但是也可以进行不同地选择。但是，应当注意到，所述膜越薄，则所述板可相互移动的越近，并且因此也能够实现更强的能量采集（如下文讨论的一样）。
此外，所述装置100还包括至少一个压电元件105，所述压电元件有利地为压电膜。在图1A中压电元件在平衡位置，但是当有弹性的弹力结构106在振动和/或应力下弯曲时，压电元件105也将与所述装置的弹性结构106一起弯曲，从而产生电压。这个电压被用作偏置电压并且被提供给所述装置的电容采集模块，以使得能够实现电容采集的功能，因为所述电容采集模块需要偏置电压来启动。而且，压电元件105可以适于也从振动和/或应变中产生到达功率输出端的电功率，而不仅仅产生偏置电压。
结构106的至少部分可以形成为有弹性的弹力元件，比如在图1A-图1B中所示的那样的弹簧。其他种类的解决方案也可以被提供以使板102a、102b能够振荡。但是，根据本发明，至少一个电容器板102a关联到弹力元件106以使得弹簧元件使得板102a能够相对于另一个电容器板102b来回振荡。元件106的弹簧常数有利地被选择成使得所述间隙在装置100的振动、应变、转动和/或冲击的期间最小化和最大化。
此外，质量元件107也可以关联到至少一个电容器板102a，以使得所述质量元件使得板102a能够相对于另一个电容器板102b更有效地来回振荡。质量有利地被选择成使得所述间隙在所述装置的振动、应变、转动和/或冲击的期间尽可能地最小化和最大化。因为装置100通过变化的电容量从动能中采集电能，所以通常，所述质量被选择为尽可能大以使得所述质量关联的运动板102a的动能最大化，并且从而也将被采集的能量最大化。
作为采集器的电容器板102a、102b位移x的函数的电容量C是（1）
C ( x ) = ϵ 0 A d 1 - x + d 2 ϵ r
其中ε0是真空电容率，εr是介电材料104的相对电容率以及A是电容器板102a、102b的面积。在恒定电荷模式中被存储在可变电容器中的能量是每个周期为（2）
E = 1 2 V in 2 ( C max - C min ) ( C max + C par C min - C par )
假定寄生电容是可忽略的并且Cmax>>Cmin，方程2变成（3）
E = 1 2 V in 2 C max 2 C min
从方程3可以容易地看出当Cmax最大时所采集的能量最大，当介电层104的厚度（d2）尽可能薄时发生这种情况。所述厚度被制造公差以及被介电材料的电击穿限制，介电材料的电击穿也取决于所使用的偏置电压。
本发明的PZC采集器装置100将显著地改进当前的技术水平。模拟的采集器功率在10Hz频率和100m/s2加速度下为12μW。通常，在10μW范围内进行采集的当前的现有技术装置或者要在千赫兹的范围内（在共振频率模式中）工作，或者尺寸很大（非微机电系统或者不同于微机电系统）。在低频率下操作的微机电系统采集器典型地在纳瓦（nanowatt）范围内采集。PZC采集器将在低频率和小尺寸类别采集器方面显著地提高当前的技术水平。
图2图示了根据本发明的有利实施方式的能量采集装置100中的示例性弹簧和/或质量构造200的顶视图。质量107有利地设置在中央区域中，在该中央区域处能够实现运动电容器板的最大的来回运动。弹簧元件结构106可以是例如在图2中所示的那样，其中弹簧元件在它的边缘部分中与所述装置的壳体固定，以使得弹簧结构能够允许所述中央区域的以及因此允许所述运动电容器板的最大来回运动。
根据一个实施方式，压电元件105可以固定在弹簧元件106上，以使得压电元件105随着在振动和/或应力作用下来回弯曲的弹簧元件106一起弯曲，并且从而产生电压，如在这个文件中前文讨论的一样。
电容器板有利地与所述装置的壳体电隔离，也例如与环境电隔离。
图3图示了根据本发明的有利实施方式的能量采集器100的示例性倒装芯片安装300，其中所述装置倒置地安装以便倒装芯片并提供更大的检验质量（proofmass）。这个位置也使得将额外的质量胶粘到芯片上更容易，比如在所述装置的顶部上的质量107。装置100可以例如通过安装元件301安装在振荡或振动结构302中，如在这个文件中的其他地方讨论的那样。
图3中的装置100的部件和特征的编号与在这个文件中的其他图中示出的相同部件的编号对应。
图4图示了根据本发明的有利实施方式的能量采集器100的示例性切换图400，其中C(x)表示由于根据本发明的装置的移动电容器板而导致的变化的电容量。采集器装置100适于有利地从变化的电容量中产生电功率，所述电功率例如到达与装置100的功率输出端连接的电子设备RL。包括电容器板的电容模块有利地通过开关SW2与功率输出端连接。
此外，适于产生偏置电压的压电元件105被连接到装置100的电容器模块，以使得能够实现电容性采集的功能，这是因为电容模块需要偏置电压来启动。压电元件模块105有利地通过开关SW1与电容器模块连接。
除了偏置电压之外，压电元件105可以适于产生也到达电子设备RL的电功率，因此压电元件105也有利地通过开关SW2连接到功率输出端。
已经参考前面提到的实施方式在前文中说明本发明，并且本发明的一些优点已经被阐明。清楚的是，本发明不仅仅限于这些实施方式，而是包括了在本发明的思想和所附权利要求的精神和范围内的所有可能实施方式。

Claims (15)

1.一种从振动、应变、转动和/或冲击中采集能量的装置，包括：
-电容器采集模块，所述电容器采集模块包括两个电容器板，所述两个电容器板彼此基本上平行设置，以使得所述板中的至少一个板适于由于振动、应变、转动和/或冲击而在与另一个电容器板基本垂直的方向上运动，并且因此在所述板之间形成可变的间隙并改变所述板之间的电容量，并且产生到达功率输出端的电功率；
-薄介电膜，所述薄介电膜设置在所述电容器板之间；以及
-压电元件，所述压电元件适于从振动和/或应变中产生到达所述电容器采集模块的偏置电压，
其中，至少一个电容器板的所述运动是振动，振动过程中所述间隙达到最大和最小，所述间隙为最小时，使电容器板适合处于半接触模式，其中实质上所述薄介电膜位于电容器板之间，并且
其中，所述电容器板中的至少一个电容器板关联至弹簧元件，以使所述弹簧元件使得所述板能够相对于所述另一个电容器板来回振荡，所述弹簧元件的弹簧常数有利地选择为使得所述间隙在所述装置的振动、应变、转动和/或冲击的期间最小化和最大化。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述薄介电膜的厚度是最大25纳米。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述压电元件适于从所述振动和/或应变中产生到达所述功率输出端的电功率。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述板之间的所述间隙适于在所述装置的振动、应变、转动和/或冲击的期间连续地最小化和最大化。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，质量元件关联至所述至少一个电容器板，以使所述质量元件使得所述板能够相对于所述另一个电容器板来回振荡，质量有利地被选择为使得所述间隙在所述装置的振动、应变、转动和/或冲击的期间最小化和最大化。
6.一种从振动、应变、转动和/或冲击中采集能量的装置，包括：
-电容器采集模块，所述电容器采集模块包括两个电容器板，所述两个电容器板彼此基本上平行设置，以使得所述板中的至少一个板适于由于振动、应变、转动和/或冲击而在与另一个电容器板基本垂直的方向上运动，并且因此在所述板之间形成可变的间隙并改变所述板之间的电容量，并且产生到达功率输出端的电功率；
-薄介电膜，所述薄介电膜设置在所述电容器板之间；以及
-压电元件，所述压电元件适于从振动和/或应变中产生到达所述电容器采集模块的偏置电压，
其中，所述电容器板适于相对于彼此运动进入半接触模式，在所述半接触模式中所述板实质上仅仅通过所述薄介电膜分隔。
7.一种从振动、应变、转动和/或冲击中采集能量的方法，包括：
-将彼此基本平行的两个电容器板中的至少一个电容器板设置在电容器采集模块中，所述至少一个电容器板通过振动、应变、转动和/或冲击而在与另一个电容器板基本垂直的方向上运动，并且因此在所述板之间形成可变的间隙并改变所述板之间的电容量，并且产生到达功率输出端的电功率；
-使用薄介电膜用在所述电容器板之间；以及
-压电元件从振动和/或应变中产生到达所述电容器采集模块的偏置电压，
其中，至少一个电容器板的所述运动是振动，振动过程中所述间隙达到最大和最小，所述间隙为最小时，使电容器板适合处于半接触模式，其中实质上所述薄介电膜位于电容器板之间，并且
其中，所述板之间的所述间隙在装置的振动、应变、转动和/或冲击的期间连续地最小化和最大化。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述压电元件也从所述振动和/或应变中产生到达所述功率输出端的电功率。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，将弹簧元件与所述电容器板中的至少一个电容器板连接，以使所述弹簧元件使得所述板能够相对于所述另一个电容器板来回振荡，并且其中所述弹簧元件的弹簧常数有利地被选择为使得所述间隙在所述装置的振动、应变、转动和/或冲击的期间最小化和最大化。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，将质量元件关联至所述至少一个电容器板，以使所述质量元件使得所述板能够相对于所述另一个电容器板来回振荡，并且其中质量有利地选择为使得所述间隙在所述装置的振动、应变、转动和/或冲击的期间最小化和最大化。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述电容器板相对于彼此运动进入半接触模式，在所述半接触模式中所述板实质上仅仅通过所述薄介电膜分隔。
12.一种包括前述权利要求1所述的装置的系统。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述系统是振荡、振动、往复运动、转动和/或冲击系统，车轮、轮胎、以及加工工业中的管线。
14.一种制造根据权利要求1所述的装置的方法，其中，所述方法包括：
-将两个电容器板彼此基本上平行地设置于电容器采集模块中，以使得所述板中的至少一个板由于振动、应变、转动和/或冲击而在与另一个电容器板基本垂直的方向上运动，因此在所述板之间形成可变的间隙并改变所述板之间的电容量，并且产生到达功率输出端的电功率；
-在所述电容器板之间设置薄介电膜；以及
-设置压电元件以从振动和/或应变中产生到达所述电容器采集模块的偏置电压，
其中，至少一个电容器板的所述运动是振动，振动过程中所述间隙达到最大和最小，所述间隙为最小时，使电容器板适合处于半接触模式，其中实质上所述薄介电膜位于电容器板之间。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法另外包括将弹簧元件和/或质量元件连接至所述电容器板中的至少一个电容器板，以使所述弹簧元件和/或质量元件使得所述板能够相对于所述另一个电容器板来回振荡，并且其中弹簧常数和/或质量有利地选择为使得所述间隙在所述装置的振动、应变、转动和/或冲击的期间最小化和最大化。
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