CN104704644B - 一种设备及关联的方法 - Google Patents

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Abstract

一种设备，包括：压电转换器层；和与压电转换器层的第一表面电连通的邻近第一压阻层，所述设备被配置成使得当压电转换器层变形以产生电荷时，邻近压阻层被配置成控制来自压电转换器层的电荷的流动。

Description

一种设备及关联的方法
技术领域
本公开涉及电子装置、相关联的设备和方法的领域，并且特别地涉及压电和压阻材料。某些公开的方面/实施例涉及便携电子装置，特别是可以手持使用的所谓的手持便携电子装置(尽管它们可以在使用中被放置在支架中)。这样的手持便携电子装置包括所谓的个人数字助理(PDA)和/或平板计算机。
根据一个或多个公开的方面/实施例的便携电子装置/设备可以提供一个或多个音频/文本/视频通信功能(例如，远程通信，视频通信，和/或文本传输，短消息服务(SMS)/多媒体消息服务(MMS)/电子邮件功能，交互式/非交互式查看功能(例如，web浏览，导航，TV/节目查看功能)、音乐记录/播放功能(例如，MP3或其他格式和/或(FM/AM)无线电广播录制/播放)、下载/发送数据的功能、图像捕捉功能(例如使用(例如内置)数码相机)和游戏功能。
背景技术
能量收集是一种过程，通过该过程，从捕获的外部源(例如，太阳能或动能)取得能量，并存储该能量用于小型无线自主装置(比如在可穿戴电子装置和无线传感器网络中使用的那些装置)。
本文所公开的设备及关联的方法可以或者可以不解决这些问题中的一个或多个。
在先公开的文献的列举或讨论或者本说明书中的任何背景不应必然地被视为承认该文献或背景是现有技术的一部分或是公知常识。本公开的一个或多个方面/实施例可以或者可以不解决背景问题中的一个或多个。
发明内容
根据第一方面，提供了一种设备，包括：
压电转换器层；和
与压电转换器层的第一表面电连通的邻近第一压阻层，
所述设备被配置成使得当压电转换器层变形以产生电荷时，邻近压阻层被配置成控制来自压电转换器层的电荷的流动。
变形可以包括施加于材料的任何应变。变形可以包括压缩、弯曲和伸展中的一种或多种。压电转换器层和/或压电转换器层可包括弹性材料以允许它们在变形后恢复到原始形状。变形可以是施加到材料/转换器层的应力或力的结果。
压电转换器层和压阻层的邻近(例如，接触/非接触，直接/间接，具有/不具有直接/间接接触的覆盖)可以使得：通过压电转换器层的变形产生的电场引起压阻层的电阻与非变形状态相比发生变化，从而控制来自压电转换器层的电荷的流动。压电转换器层可以被认为是压电元件。
所述设备可以配置成使得：不需要压阻层的变形来引起压阻层的电阻与非变形状态相比发生变化从而控制来自压电转换器层的电荷的流动。
压电转换器层和压阻层的邻近可以使得：它们处于物理(例如，直接/间接)接触中致使压电转换器层的变形引起压阻层的变形，从而与非变形状态相比改变压阻层的电阻，从而控制来自压电转换器层的电荷的流动。压电转换器层和压阻层的邻近可以使得：它们处于物理(例如，直接/间接)接触中致使压阻层的变形引起压电转换器层的变形，该变形使压阻层的电阻与非变形状态相比发生变化，从而控制来自压电转换器层的电荷的流动。
所述设备可以配置成使得：响应于施加到压电转换器层的机械应力(例如压缩)，第一压阻层的电阻减小。
第一压阻层可以包括导体-绝缘体复合材料。导体-绝缘体复合材料可以是导电元件(例如，金属)和绝缘材料(例如聚合物粘结剂)的复合材料。它们可以通过连续导电网络或量子隧穿来利用渗透(percolation)：在无变形(例如压缩)的情况下，导电元件分开得太远以致于不能导电；当施加压力时，导电元件可以移动得更靠近，并且电子可以通过绝缘体隧穿，或者如果导电元件直接接触则电子可以直接从一个导电元件流向另一个。压阻层可以例如包括：碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料；金属纳米颗粒/聚合物复合材料；石墨烯/碳纳米管(CNT)/聚合物复合材料；力敏橡胶；和/或量子隧穿复合材料(QTC)。
第一压阻层可以包括与压电转换器层(例如直接)接触的掺杂石墨烯，该掺杂石墨烯的电阻被配置成响应于压电转换器层响应于变形所产生的电场而变化。在这样的情况下，可能的是：不需要第一压阻层的实际变形来控制电荷的流动(通过改变掺杂石墨烯的电阻)。在这样的情况下，第一压阻层可以不严格被认为是压阻的，因为不需要实际的变形来提供电阻的变化。
与在机械应力(例如压缩)下变成带负电荷的压电导体层表面接触的n掺杂石墨烯层、或者与在机械应力(例如压缩)下变成带正电荷的压电导体层表面接触/邻近的p掺杂石墨烯层将充当正压阻层(尽管可以不需要掺杂石墨烯层的实际压缩)。相反，与在机械应力(例如压缩)下变成带负电荷的压电导体层表面接触/邻近的p掺杂石墨烯层、或者与在机械应力(例如压缩)下变成带正电荷的压电导体层表面接触的n掺杂石墨烯层将充当负压阻层(尽管可以不需要n掺杂石墨烯层的实际压缩)。
压电转换器层和第一压阻层可以配置成是透明的。
压阻层的范围(extent)可以小于压电转换器层的范围。例如，压阻层的表面面积可以小于压电转换器层的表面面积。这可以允许压阻层的电容相对于压电转换器层的电容而言被减小。
所述设备可以包括与公共压电转换器层邻近地布置的多个离散的间隔开的第一压阻层。这可以允许个体像素被分别激活和/或每个离散压阻层的电容相对于压电转换器层的电容而言被减小。
压电转换器层可以包括：
压电层；
与压电层的第一表面直接电连通的第一导电层；和
与压电层的相对的第二表面直接电连通的第二导电层。
所述设备可以包括：
第一电路部分，其：
经由第一压阻层电连接到压电转换器层的第一表面；和
电连接到压电转换器的相对的第二表面，
第一电路部分被配置成存储由压电转换器层产生的电荷；以及
第二电路部分，其连接到：
压电转换器层的第一表面；和
压电转换器层的相对的第二表面，
第二电路部分被配置成使电荷能够在压电转换器层的相对的第一和第二表面之间被均衡。
第一电路部分可以包括配置成存储来自压电转换器层的电荷的存储电容器、超级电容器或电池。存储电容器的电容可以大于压电转换器的本征电容。
第二电路可以包括电阻器，该电阻器被配置成抵抗压电转换器层的相对的第一和第二表面之间的电荷均衡。
所述设备可以配置成使得：
当压电转换器层被机械地加应力(例如压缩)时，第一压阻层的电阻小于电阻器的电阻；和
当压电转换器层未被机械地加应力时，第一压阻层的电阻大于电阻器的电阻。
压阻层可以包括正压阻材料或负压阻材料。正压阻材料是在施加机械应力(例如压缩)时其导电性增大(且电阻减小)的材料。相反，在施加机械应力(例如压缩)时，负压阻材料的导电性减小(电阻增大)。优选地，压阻材料具有高开/关比；例如，正压阻材料可以在静止状态是绝缘体，并且在压力下是良导体。
所述设备可以包括第二压阻层，该第二压阻层覆盖压电转换器层的相对的第二表面/与压电转换器层的相对的第二表面邻近，并与压电转换器层的相对的第二表面电连通。
所述设备可以配置成使得第二压阻层的电阻响应于压电转换器层的机械应力(例如压缩)而增大。
第二压阻层可以包括与压电转换器(例如直接)接触的掺杂石墨烯，该掺杂石墨烯的电阻被配置成响应于压电转换器层响应于变形所产生的电场而变化。
所述设备可以包括：
第一电路部分，其：
经由第一压阻层电连接到压电转换器层的第一表面；和
电连接到压电转换器的相对的第二表面，
第一电路部分被配置成存储由压电转换器层产生的电荷；以及
第二电路部分，其：
连接到压电转换器层的第一表面；和
经由第二压阻层连接到压电转换器层的相对的第二表面，
第二电路部分被配置成使电荷能够在压电转换器层的相对的第一和第二表面之间被均衡。
所述设备可以是或者可以形成触摸屏、触摸屏像素、鞋、手表、衣服、便携式电子装置或机械能收集装置的一部分。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造设备的方法，该方法包括提供：
压电转换器层；和
与压电转换器层的第一表面电连通的邻近第一压阻层，
所述设备被配置成使得当压电转换器层变形以产生电荷时，邻近压阻层被配置成控制来自压电转换器层的电荷的流动。
根据另一方面，提供了一种使用设备的方法，该设备包括：
压电转换器层；和
与压电转换器层的第一表面电连通的邻近第一压阻层，
所述设备被配置成使得当压电转换器层变形以产生电荷时，邻近压阻层被配置成控制来自压电转换器层的电荷的流动。
所述方法包括：
使压电转换器层变形使得压电转换器层产生电荷，并且第一压阻层控制从压电转换器层产生的电荷的流动。
根据另一方面，提供了一种用于控制设备的制造的计算机程序，该计算机程序包括配置成控制下述中的一个或多个的计算机代码：
提供压电转换器层；和
提供与压电转换器层的第一表面电连通的邻近第一压阻层；
使得当压电转换器层变形以产生电荷时，邻近压阻层被配置成控制来自压电转换器层的电荷的流动。
计算机程序可以存储在存储介质(例如CD，DVD，记忆棒或其他非暂时性介质)上。计算机程序可以配置成在装置或设备上作为应用来运行。应用可以通过装置或设备经由操作系统来运行。计算机程序可以形成计算机程序产品的一部分。
本公开包括一个或多个孤立的对应方面、实施例或特征及其各种组合，不论是否以该组合或孤立地被明确陈述(包括要求保护的那些)。用于执行所讨论的功能中的一个或多个的功能单元的对应装置也在本公开的范围内。
用于实现一个或多个所公开方法的对应计算机程序也在本公开的范围内，并且被一个或多个所述实施例所包括。
上述总结仅仅意在是示例性的而非限制性的。
附图说明
现在参考附图仅通过示例的方式给出说明，在附图中：
图1和2描绘两个压电能量收集装置的简单通用模型；
图3a和3b示出基于使用单层压阻材料的能量收集装置和相应的等效电路；
图4a-4b分别是适合于在像素化实施例中使用的另一能量收集装置的横截面和透视图；
图5描绘基于压阻材料的另一像素化实施例；
图6a和6b描绘基于压阻材料的另一能量收集装置和相应的等效电路；
图7a和7b描绘基于压阻材料的另一能量收集装置的两个视图；
图8示出可以完全通过印刷和层压来制造的完全集成的“软”装置(包括负载电容器CL)的示例实施例；
图9示出针对正压阻层的电阻与力的关系；
图10是用于在实施例被反复变形时模拟电流和电压如何被产生的模型电路；
图11a-11d是理想装置在高应力和低频率的限制下的模拟结果；
图12是用于在实施例被反复变形时模拟电流和电压如何被产生的模型电路；
图13示出理想装置在低应力和高频率的限制下的模拟结果。
具体实施方式
压电效应将机械应变转换成电场，电场继而可以产生电流或电压。该应变可以来自许多不同的源，诸如人体运动、低频地震振动、或声学噪声。大多数压电电源产生毫瓦量级的功率，对于系统应用而言太小，但对于某些类别的无线自主装置和自供电机械传感器而言是足够的。
图1和2示出压电能量收集装置的现有技术实现，其每一个均具有至少一个二极管184、173、284(在图1中为两个，且在图2中示出一个)作为必要组件以控制电流向电路的不同部分的流动。然而，这样的二极管组件的使用可能在许多情况下是受限且不便的。
如图1中所示的电路包括压电转换器191(例如，包括夹在两个金属板之间的压电材料层)，其被配置成响应于被机械加应力(例如压缩)而产生电场。压电转换器191可以由串联的电压发生器VP 191a和电容器CP191b来建模。电路还包括配置成存储用于驱动负载183的电荷的存储电容器CL 182。电路还包括两个二极管184和173，其被配置成通过不同的电路径对压电转换器的电容器CP 191b进行充电和放电。这会导致在每个压力周期(例如，压缩后跟着释放)中，净电荷被存储在负载电容器CL中。在这种情况下，假定CL>>CP。当CL182被充电时，它可以在各周期之间用相对稳定的电压对负载183供电，即使各周期在速率和强度方面强烈的不规则。由于压电转换器所产生的电压VP可被建模为交流电压，因此基于这样的元件的能量收集装置可以包括附加电路来整流来自压电转换器的信号并将其存储在电池或电容器中。在这种情况下，整流由二极管来执行。
更简单的几何结构在图2中示出。图2的电路类似于图1的电路，除了二极管之一被替换为电阻器272(RS)以外。操作原理与图1中相同，假设满足以下条件：
(i)RS(远)大于正向偏置的二极管的电阻(使得在正向偏置中，大部分电流来自二极管路径)；和
(ii)RS足够小，从而允许CP在每个周期中在反向偏置中能够完全充电/放电。
例如，在源是某种与人类相容的运动(例如10Hz最大周期频率)的情况下，在此期间，每个周期中应力被施加最少50毫秒。在电压阈值之上，标准商用二极管展现100Ω与10kΩ之间的电阻。对于面积为几个平方厘米的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电转换器，电容通常为1-10nF。因此，通过二极管对电容器291b CP的充电发生在大约0.1毫秒(时间常数＝RC＝10kΩ×10nF)中。这意味着RS应该从大约100kΩ到1MΩ(因为1MΩ×10nF仍然<50毫秒)。
应注意的是，图2强调了另一个重要的考虑因素：每个二极管具有本征内部电容284a，其可以被建模为CF。CF应小于CP，以减轻电荷在每个周期在CP与CF之间的传送(即，而不是向存储电容器282传送)。也就是说，如果没有电流被强制通过正向偏置的二极管，则对存储电容器的“电荷泵送”不会发生。
在一些组合中，二极管可能不具有用于传送通过压电产生的电压的动态范围。例如，根据所施加的应力，聚偏二氟乙烯(PVDF)压电转换器可以输出10毫伏和100伏之间的电压。常规的硅二极管具有大约0.6伏的阈值电压，这意味着低于该阈值的任何信号或能量将被丢失。当收集或检测小到中等的应力(诸如轻微振动或手指触摸)时，这可能会限制二极管压电系统。在另一极端，在10-100伏处，二极管可以承受显著电流。因此，为了掩盖潜在的高电压尖峰，庞大的高功率二极管可以被使用，这可能是不必要地昂贵的——如果压电系统大部分时间在处理小信号的话。
第二个考虑因素是电路集成。当外部二极管可以被移除时，集成的尺寸可以更小。例如，每只鞋安装一个二极管是可管理的，但对于由若干个压电像素制成的触摸屏/面板而言，这可能是困难/昂贵/复杂的。
本公开涉及提供利用组装在压电转换器之上的压阻层(例如，使得二者可以在同一时间经历相同的施加应力)来控制用于机械能量收集和感测的压电系统中的电荷流动。
根据本公开的实施例，压力能/机械能收集器/采集器能够收集/采集来自施加到压电转换器的较小应变的能量。此外，收集器的尺寸可以较小，但仍然能够收集能量来存储以供将来使用。另外的优点可以包括更宽的动态范围、没有阈值电压、以及更容易制造。
根据本公开的设备可以适用于广泛的应用，这些应用可以包括：集成到鞋中用于从行走/跑步收集能量；集成到椅子或衣服中用于从运动收集能量；自供电的触摸屏；自供电无线传感器(例如，轮胎中的汽车供电的传感器)；收集风能的装置；集成到地板中以从人的行走收集能量的装置；与惯性质量集成以从加速收集能量；以及集成在装置的主体内以从挤压收集能量。
压电收集器/设备的实施例301在图3a中示出，与相应的等效电路(图3b)一起。该实施例包括：压电转换器层312；以及与压电转换器层的第一表面电连通的邻近第一压阻层313(在这种情况下，它是正压阻层)，使得当压电转换器层312被变形以产生电荷时，邻近压阻层313被配置成控制来自压电转换器层的电荷的流动。
在此情况中，压电转换器层312和压阻层313的邻近使得它们处于直接物理接触中，致使压电转换器层的变形引起压阻层中的变形从而相比于非变形状态而言改变了压阻层的电阻，从而控制来自压电转换器层的电荷的流动。
在此情况中，第一压阻层为正压阻层。也即是说，在此情况中是金属-绝缘体复合材料的第一压阻层的电阻响应于机械压力而减小。正压阻层涂覆有导电层314，以使得能够与其他电路部分电连接。
在这种情况下，压电转换器层包括：压电层312x；与压电层的第一表面直接电连通的第一导电层312z(例如，金属层)；以及与压电层的相对第二表面直接电连通的第二导电层312y(例如金属层)。应当理解的是，导电层中的一个或多个可以不是金属的。例如，导电层可以包括石墨烯膜。
因为压阻层与压电转换器层集成在一起，所以包括压电转换器312和压阻层313的层状结构311可以例如使用卷对卷生产(roll-to-roll production)而被制造为不具有任何外部电路的单个层压箔片。
层状结构311被连接到两个电路部分：包括电阻器322的均衡电路部分321；以及包括存储电容器332的存储电路部分331。存储电路部分331经由第一压阻层314电连接到压电转换器层312的第一表面，并且电连接到压电转换器的相对第二表面，所述第一电路部分被配置成存储由压电转换器层产生的电荷。均衡电路部分322被连接到：压电转换器层的第一表面；和压电转换器层的相对第二表面，所述第二电路均衡部分被配置成使得电荷能够在压电转换器层的相对的第一和第二表面之间被均衡。这些电路部分可以是外部电路部分或者与层状结构集成在一起。
当应力或力F(t)被施加到压电转换器层时，在压电材料312x的两个表面上形成场，从而导致电荷在形成平行板电容器的两个导电层312y、312z中累积。因为当在压力下，正压阻层313传导得比均衡电路部分321的电阻器322RS更好，所以电流主要在电路的右侧存储分支331中流过，并且压电电容器CP(代表压电转换器层的本征电容)仅能通过向/从存储电容器332CL移动电荷来充电(通过较高阻抗的负载333的电流可以是可忽略的)。当应力/力被释放时，将电荷保持在导电板上的电场被移除，所以电荷应该消散或放电，但是它不能经由右侧存储电路部分331来这样做，所述右侧存储电路部分331因为正压阻层313具有降低的导电性而被阻断。然而，电路的左侧均衡分支321(其不包含正压阻层)保持可用于对压电转换器层312的导电板312y、312z放电。即，压阻层的电阻RP在压力下满足RP<<RS，并且当无压力时满足RS<<RP。
于是可以看出，该装置的等效电路类似于图2中的电路，其中二极管被替换为正压阻层313。应该理解的是，正压阻层313在如上所述的使用方面中可以被认为是二极管。然而，压阻层可能无法直接等同于电二极管，因为它的导电性失衡是由机械压力驱动，而不是由在其两端施加的电偏置来驱动的。然而，在该特殊设备中，偏置的任何反转总是与压力的施加同相地发生。因此，压阻层被发现仅对一个电流极性而言处于导通状态，从而模仿半导体二极管的行为。压阻层也可以被认为是压力激活的开关，其在压电转换器被机械加应力(例如压缩)和释放的同时被打开和关闭。
为了使图3中的设备作为能量收集器更高效地工作：该“二极管”或等效二极管(在这种情况中为压阻层313)的内部电容(CF)应该比CP小(越小则对于该电路越好)。如在这种情况下，对于包括聚偏二氟乙烯(PVDF)作为压电材料的压电转换器层，CP可以是1nF/cm2的量级。如图3a中所示，聚偏二氟乙烯(PVDF)电容器和与压阻层相关联的并联电容可以共享基本上相同的区域，所以它们的电容可以非常相似。此外，平均压阻层的厚度可以是5-10μm，而聚偏二氟乙烯(PVDF)的厚度可以是20-50μm(电容通常反比于电介质厚度)。最后，聚偏二氟乙烯(PVDF)的介电常数是～12，而绝缘体-导体复合材料的介电常数不大可能小得多。因此，为了改善装置的功能，可以相对于压电转换器层减小压阻层的电容。
相对于压电转换器层减小压阻层的电容的一种解决方案可以是相对于相应的压电转换器层减小压阻层的面积，从而实现电容的相应减小。这样的实施例401在图4a中示出。图4a的实施例与图3a相同，除了与压电转换器层的面积相比，压阻层的面积被减小以外。同样地，实现正压阻层和其它电路部分之间的电连接的导电层414相应地被减小尺寸。这种方法在某些情况下(例如，触摸屏像素)可以特别有效。应该理解的是，更小的压阻层应被布置成使得激活压电转换器层的相同施加应力也会激活压阻层中的电阻变化。同样地，压阻层面积不应做得如此之小，导致该层的电阻过大以致于在导通状态时不能使电流通过。
应当理解的是，多个压阻层像素可以布置在压电转换器层的表面上，如图4b中所示(例如形成网格)。这可以允许系统有效地工作，即使压力未被均匀地施加在整个装置面积上。网格的几何形状对于压阻层的低电容和低导通电阻可能具有影响，并且可以允许足够大的电流被支持。离散像素的尺寸和间隔取决于应用。例如，用于触摸屏的像素可以在1-10毫米范围内、且相邻像素之间的间隔在1微米-1毫米之间，而用于地毯脚步能量收集器的离散像素可高达数十厘米、且相邻离散像素之间的间隔较大(例如长达1米)。
根据上面的讨论，RS处于0.1-10MΩ范围内的值可能对于大多数应用而言是最佳的。为了甚至在完全集成的“软”(例如，柔性的，可拉伸的和/或可变形的)装置中实现RS，压电转换器层的两个导电层可以用一片高电阻的聚合物或胶带来连接。
图5描绘备选的像素化(离散化)实施例501，其中像素(离散单元)被配置成共同地工作。本实施例的层的结构类似于图4a。与图4a的实施例不同，邻近布置于压电层512x的顶面上的导电层512z的面积并不在整个顶面上延伸，而是对应于压阻层像素的面积。也就是说，像素化从导电层512z开始，同时第一导电层512y和压电层512x可以作为连续主体层而被共享。负载电阻器524是通过经由压电转换器层在压电转换器层的两个导电层512y、512z之间进行连接，而被并入层状结构511内的。如透视图中所示，会聚到存储电路531的共享电极线被连接到每个像素的最顶层电极导电层。在这种情况下，存储电路包括用于存储所产生的电荷的存储电容器532和表示负载的负载电阻器533。
这样的实施例可以被并入图5中所示的压电地毯中，以从脚步收集能量。假定该地毯覆盖整个房间并且一个人正在上面行走，则仅当该地毯由压电发电机阵列组成、且个体“像素”尽可能接近足迹尺寸时才有可能收集到一些能量。如果该地毯仅由大的单个像素组成，则由脚步局部引发的电荷将面临不活动的表面的庞大寄生电容，这会阻碍任何能量输出(信号消亡，如同脚部面积/房间面积)。取决于应用，像素尺寸通常可以在1mm2和1m2之间的范围内。类似地，取决于应用，相邻瓦片(tile)之间的间隔可以在1微米和1米之间。在本地毯的情况中，像素“瓦片”可以高达几十厘米。
在基于压电转换器的独立机械能量收集器的阵列中，每个像素需要它自己的二极管或等效二极管来控制电荷的流动。该实施例与使用常规二极管相比所提供的优点在于，当需要组装二极管时，可以在柔性“地毯”上的较大区域上印刷压阻层，所述柔性“地毯”可以在需要时容易地卷起。这可以降低制造成本并做出更简单的设计。
在这种情况下，压电材料是聚偏二氟乙烯(PVDF)。应当理解的是，也可以使用其他压电材料。例如，压电材料可以包括类似锆钛酸铅(PZT)或ZnO的陶瓷。可能适合于用作压电材料的其他材料包括基于纳米线的复合材料。
又一实施例601在图6a中示出，与相应的等效电路(图6b)一起。该实施例包括：压电转换器层612(612x、612y和612z)；以及邻近的第一压阻层613(在这种情况下是正压阻层)，其与压电转换器层的第一表面电连通，使得当压电转换器层被变形以产生电荷时，邻近压阻层被配置成控制来自该压电转换器层的电荷的流动；和第二压阻层615，其覆盖压电转换器层612的相对的第二表面上(与之邻近)，并且与压电转换器层612的相对的第二表面电连通。在这种情况下，第二压阻层是负压阻层，其被配置成使得第二压阻层的电阻响应于压电转换器层的机械应力(例如，压缩)而增大。
该实施例还包括两个电路部分：第一存储电路部分631，其经由第一压阻层613被电连接到压电转换器层612(612x、612y和612z)的第一表面(即，与压阻层接触的表面)，并且被连接到压电转换器层的相对的第二表面(即，压电转换器层的在第一表面的相对侧上的表面)，第一电路部分631被配置成存储由压电转换器层612产生的电荷；以及第二均衡电路部分621，其被连接到压电转换器层612的第一表面，并经由第二负压阻层615连接到压电转换器层的相对的第二表面，第二电路部分被配置成使电荷能够在压电转换器层612(612x、612y和612z)的相对的第一和第二表面之间得到均衡。
当应力或力F(t)被施加到包括压电转换器层612以及邻近的第一和第二压阻层613、615的多层结构611时，在压电材料612x的两个表面处形成一个场，迫使电荷在两个金属层612y、612z中累积，所述两个金属层612y、612z把压电层612x夹在中间。因为第一正压阻层在机械应力(例如，压缩)的作用下导电良好，而负压阻层并不导电良好，所以电流被导向电路的右侧存储分支631，并且压电转换器层612的本征电容CP可以通过向/从存储电路部分631的存储电容器632CL移动电荷而充电(通过较高阻抗的负载的电流是可忽略不计的)。当压力被释放时，压电转换器层612的电容CP想要放电，然而现在它发现到右侧存储电路部分631的路径由于正压阻层613具有减低的导电性而被阻断。然而，在同一时间，负压阻层615变成更导电的状态，并因此允许电流优先地在左侧均衡电路部分621上流动。可见，该装置的等效电路类似于图1的电路，其中二极管被替换为正压阻和负压阻层。
压阻层不是真正的电二极管，因为它的导电性失衡是由机械压力驱动，而不是由在其两端施加的电偏置来驱动的。然而，在该特殊设备中，偏置的任何反转总是与压力的施加同相地发生，其中压电材料充当换能器。因此，该层被发现仅对一个电流极性而言处于导通状态，从而模仿半导体二极管的行为。
正压阻层可以包括导体-绝缘体复合材料，诸如碳纳米管/PDMS、石墨烯/聚合物、金属纳米线/聚合物或力敏橡胶或量子隧穿复合材料。
在这种情况下，第二负压阻层615包括与压电转换器直接接触的掺杂石墨烯，该掺杂石墨烯的电阻被配置成响应于压电转换器响应于变形产生的电场而改变。应该理解的是，可以使用其他负压阻层。
又一实施例701在图7a中的横截面中示出，并且从下面的图7b示出。在这种情况下，不同于图6a中的情形，石墨烯负压阻层没有完全覆盖压电转换器的表面。
石墨烯可以显示出与半导体典型的场效应响应相耦合的良好电导通性。这可以允许RS是可变电阻器，其状态与应力的施加同相地变化。现在，如果石墨烯在静止状态下带有适当的掺杂(图7a和7b中的P型)，则有可能把由聚偏二氟乙烯(PVDF)在受到压力时产生的电压用作“门”以使石墨烯更靠近狄拉克点，在该狄拉克点处，其导电性可以被降低。从2到5的开关比是可能的。
应当理解的是，如图7b中所示，调节石墨烯层的面积可以允许选择RS所需的范围。例如，因为单层石墨烯的薄层电阻大概是1kΩ/平方，所以100μm宽、几厘米长的一条单层石墨烯可以获得约200kΩ的串联电阻器。
上述实施例的优点可以包括：由非常小到非常大的力产生的宽广操作范围(例如，电流和/或电压的操作范围)可以被容纳。另外，可以存在较低的对应于常规二极管的阈值电压或者不存在该阈值电压。因为电阻层可以与压电转换器层集成，所以可以通过完全集成为薄且软的层状结构而存在有效且低成本的可制造性的潜在可能。
应当理解的是，上述实施例可用来从人体收集动能。例如，这类实施例可以嵌入走道或鞋中来重新利用脚步的能量。能量收集装置还可以配置成从腿和手臂运动、鞋子撞击和血压收集能量。微型腰带(microbelt)能量收集装置可用来从呼吸收集电力。
关于制造，如图8所示的整合实施例801可以通过两个子结构的层压而被制造：第一子结构包括压电转换器层812(812x、812y和812z)，其包括第一导电层812y和第二导电层812z，它们之间是压电基板812x(其在该情况下包括聚偏二氟乙烯(PVDF))；第二子结构，其包括第三导电层814和压阻层813。
聚偏二氟乙烯(PVDF)可以被提供为卷轴上的柔性、薄膜基板，并且第一和第二导电层的形成可以使用印刷技术来实现。在石墨烯形成第一和/或第二导电层812y、812z的一部分的情况下，这可以通过层压来实现。
压阻材料可以被提供为可印刷墨/膏，并且可以通过印刷和层压的组合进行制造。
可能的是，直接在压电转换器层812(812x、812y和812z)的导电层812y、812z之上丝网印刷压阻材料(诸如压阻墨)，随后在该压阻层之上印刷第三导电层814。另外，备选的压阻材料可以被提供为基板以允许在上面直接印刷第三导电层814。
导电层812y、812z、814可以由任何适合的材料形成，包括但不限于银纳米颗粒油墨，石墨烯油墨，单层石墨烯，炭黑油墨，铜纳米颗粒油墨。
最后，如图8中的完全分层结构所示，将柔性存储电容器832与聚合物电解质集成也是已知的；从几μF到几mF的电容是可实现的。均衡电阻器RS 824也被提供在压电转换器层812的导电层812y、812z之间。这样，例如通过使用卷对卷生产，元件可以被制造为不具有任何外部电路的单个层压箔片。
实验数据
图9针对可适用于压阻层的一般化的压阻材料示出电阻与力的关系。示例性特性可以是，在无应力的情况下，电阻>100MΩ，并且当施加大约1kPa的压力时，电阻可以降低到<10KΩ。
可见，力的范围和工作电压范围相当广并且与聚偏二氟乙烯(PVDF)压电材料的输出在很大程度上兼容。力的范围和工作电压范围还可以通过使层更厚而扩展到“高压力限值”。
此外，ON(导通)状态电阻甚至在非常低的应力下也较低。即，材料可以在力低至0.5-1N时展示出几KΩ的电阻。在不施加力的情况下，压阻层的OFF(关断)状态电阻>100MΩ。这些数字可与典型二极管的性能兼容，主要优点在于可以没有在低偏置下限制传输的阈值电压。
关于允许流过压阻材料的最大电流，我们注意到在较大的力下，压电转换器层可以生成约几十伏的电压，而压阻材料的电阻率可以下降到1KΩ以下(I＝V/R＝10V/1KΩ＝10mA)。假定元件具有10cm2的面积(对于处理几kPa应力的应用而言是现实的)，压阻材料中的电流密度可以达到1mA/cm2或更大的峰值。然而，对于这些“重负荷”应用，附加的限制电阻器(诸如50kΩ)可以与压阻材料串联连接从而将电流保持在期望的范围内，并且压阻层的总的ON电阻仍显著低于RS。
模拟
图8-11中呈现的设备的模型被包括在此，以便说明实施例的实际实施。
用于模拟的电路示意图在图10中示出。压电转换器层1012被建模为VP和CP的串联组合，其中VP(t)的轮廓是方波，幅度为10V，频率为1Hz，上升和下降时间为10ms。该轮廓可以被认为与由于通过行走对鞋子的撞击而产生的刺激相一致。正压阻层1013被建模为二极管，具有1KΩ的ON电阻，1GΩ的OFF电阻，10mV的阈值电压。瞬态分析被运行100秒。电路还包括与负载电阻器1033并联的存储电容器1032，负载电阻器1033经由正压阻层1013被连接到压电转换器层1012。均衡电阻器1022被直接连接到压电转换器层1012。
在第一模拟中，不具有负载电阻器1033的电路被模拟，并且CL两端的开路电压被监视。图11a示出在第一个20秒期间流经正压阻层1151和均衡电阻器R1、1152的电流。相应的直到60秒的数据分别在图11b和11c中示出。当压电堆叠体被压缩(在方波上升)时，CP通过流经正压阻层的电流被显著地充电，每一周期对存储电容器CL部分地充电。当压电堆叠体被释放(在方波下降)时，CP通过均衡电阻器R1放电(产生通过R1的有效负电流)。
当CL累积电荷(且CL两端的电压增大)时，如图11d中的顶部曲线1153所示，每次压缩过程中的电流幅度降低，参见图11b。CL两端的开路电位被示出饱和，并且一旦压缩周期停止，在时间＝50s时，CL通过压阻层缓慢放电，所述压阻层在该模拟中具有1GΩ的有效电阻。
图11d还示出在10MΩ负载与CL并联地被添加的情况下，CL两端的电压的累积。在每个压缩周期上，更大的放电电流流经负载，因此饱和电位从开路情况被降低。
图12示出电路，其中压电多层结构经受较小、但是处于更高频率(10Hz)的压力，与手指按压可能实现的情况更为一致。压电材料所产生的关联电位被减低到1V以对应于可能来自手指按压的降低的压力。图13对于图12的电路示出电位的累积和随后的放电。由于压电材料的减低的电位，瞬态分析在此仅运行5秒。
类似之前的模拟电路，压电转换器层1212被建模为VP和CP的串联组合；并且正压阻层1213被建模为二极管。该电路还包括与负载电阻器1233并联的存储电容器1232，所述负载电阻器1233经由正压阻层1213被连接到压电转换器层1212。均衡电阻器1222被直接连接到压电转换器层1212。
该设备内的参数可以针对特殊应用进行优化。例如，如果电荷累积将会在延长的时间段中出现，只有通过负载的偶尔放电(例如，以适当隔开的间隔无线地传递传感器响应)，则较大CL的使用可以确保充足的电容以提供较短但是高功率的突发。相反，较小的CL可以更适合于这种情况，即需要通过负载的连续放电并且必须迅速达到饱和电压(例如，以便对电池充电)。
熟悉技术的读者应当理解的是，任何提到的设备/装置和/或特别提到的设备/装置的其它特征可以由配置成仅当启用(例如接通等)时执行期望操作的设备来提供。在这类情况下，它们在非使能状态(例如，关闭状态)下可能不一定使适当软件加载到有源存储器中，而是仅在使能状态(例如，在接通状态)下加载适当的软件。所述设备可以包括硬件电路和/或固件。所述设备可以包括加载在存储器上的软件。这类软件/计算机程序可以被记录在相同存储器/处理器/功能单元和/或一个或多个存储器/处理器/功能单元上。
在某些实施例中，特别提到的设备/装置可以用适当软件被预编程以执行期望的操作，并且其中适当的软件可以通过用户下载“密钥”(例如以解锁/使能该软件及其关联的功能)而被使能以供使用。与这类实施例关联的优点可以包括，当装置需要另外的功能时，对下载数据的需求被减少，并且这在以下示例中会是有用的：装置被认为具有存储用于可能未被用户使能的功能的这类预编程软件的足够容量。
应当理解的是，除了提到的功能以外，任何提到的设备/电路可以具有其它功能，并且这些功能可以由相同的设备/电路执行。一个或多个公开的方面可以包括关联计算机程序和记录在适当载体(例如，存储器、信号)上的计算机程序(其可以是源/传输编码的)的电子分发。
关于任何提到的计算机和/或处理器以及存储器(例如，包括ROM，CD-ROM等)的任何讨论，这些计算机和/或处理器以及存储器可以包括计算机处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或已经编程为执行本发明功能的其它硬件部件。
申请人由此将本文所述的孤立的每个单独特征以及两个或多个这类特征的任何组合公开到一种程度，即使得这类特征或其组合作为整体能够根据本领域技术人员的公知常识，基于本说明书被执行，并且不限制权利要求的范围，而不论这类特征或特征组合是否解决本文公开的任何问题。申请人指出，所公开的方面/实施例可以由任何这类单独特征或特征的组合构成。根据前面的描述，对于本领域技术人员来说明显的是，在本公开的范围内可以作出各种修改。
尽管本文已经示出和描述并指出应用于不同实施例的基本新颖特征，但是应当理解的是，本领域技术人员可以在不偏离本发明的精神的情况下，对所述装置和方法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。例如，明确期望的是，以基本相同方式执行基本相同功能以实现相同结果的这些元件和/或方法步骤的所有组合在本发明的范围内。而且，应当认识到，结合任何公开形式或实施例示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以以任何其它公开或描述或建议的形式或实施例被并入，作为设计选择的一般事项。而且，在权利要求中，装置加功能从句旨在覆盖本文中被描述为执行所述功能的结构，不仅包括结构等同物，也包括等同结构。因此，尽管钉子和螺钉不是结构等同物的原因在于，一个钉子使用圆柱表面将木制部件固定在一起，而螺钉采用螺旋表面，但是在紧固木质部件的环境中，钉子和螺钉可以是等同结构。

Claims (22)

1.一种设备，包括：
压电转换器层；和
与所述压电转换器层的第一表面电连通的邻近第一压阻层，
所述设备被配置成使得当所述压电转换器层变形以产生电荷时，所述邻近第一压阻层被配置成控制来自所述压电转换器层的电荷的流动；
其中所述设备还包括：
第一电路部分，其：
经由所述邻近第一压阻层电连接到所述压电转换器层的第一表面；和
电连接到所述压电转换器的相对的第二表面，
所述第一电路部分被配置成存储由所述压电转换器层产生的电荷；以及
第二电路部分，其连接到：
所述压电转换器层的第一表面；和
所述压电转换器层的相对的第二表面，
所述第二电路部分被配置成使电荷能够在所述压电转换器层的相对的第一和第二表面之间被均衡。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述压电转换器层和所述邻近第一压阻层的邻近使得：通过所述压电转换器层的变形产生的电场引起所述邻近第一压阻层的电阻与非变形状态相比发生变化，从而控制来自所述压电转换器层的电荷的流动。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述设备被配置成使得：不需要所述邻近第一压阻层的变形，来引起所述邻近第一压阻层的电阻与非变形状态相比发生变化从而控制来自所述压电转换器层的电荷的流动。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述压电转换器层和所述邻近第一压阻层的邻近使得：它们处于物理接触中致使所述压电转换器层的变形引起所述邻近第一压阻层的变形，从而与非变形状态相比改变所述邻近第一压阻层的电阻，从而控制来自所述压电转换器层的电荷的流动。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备被配置成使得：响应于施加到所述压电转换器层的压缩，所述邻近第一压阻层的电阻减小。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述邻近第一压阻层包括量子隧穿复合材料。
7.根据权利要求3所述的设备，其中所述邻近第一压阻层包括与所述压电转换器层直接接触的掺杂石墨烯，所述掺杂石墨烯的电阻被配置成响应于所述压电转换器层响应于变形所产生的电场而变化。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述压电转换器层和所述邻近第一压阻层被配置成是透明的。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述压电转换器层包括：
压电层；
与所述压电层的第一表面直接电连通的第一导电层；和
与所述压电层的相对的第二表面直接电连通的第二导电层。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一电路部分包括配置成存储来自所述压电转换器层的电荷的存储电容器。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述存储电容器的电容大于所述压电转换器的本征电容。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二电路包括电阻器，所述电阻器被配置成抵抗所述压电转换器层的相对的第一和第二表面之间的电荷均衡。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备被配置成使得：
当所述压电转换器层被压缩时，所述邻近第一压阻层的电阻小于所述电阻器的电阻；和
当所述压电转换器层未被压缩时，所述邻近第一压阻层的电阻大于所述电阻器的电阻。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备包括第二压阻层，所述第二压阻层覆盖并与所述压电转换器层的相对的第二表面电连通。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述设备被配置成使得所述第二压阻层的电阻响应于所述压电转换器层的压缩而增大。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述第二压阻层包括与所述压电转换器层直接接触的掺杂石墨烯，所述掺杂石墨烯的电阻被配置成响应于所述压电转换器层响应于变形所产生的电场而变化。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述设备包括：
第一电路部分，其：
经由所述邻近第一压阻层电连接到所述压电转换器层的第一表面；和
电连接到所述压电转换器层的相对的第二表面，
所述第一电路部分被配置成存储由所述压电转换器层产生的电荷；以及
第二电路部分，其：
连接到所述压电转换器层的第一表面；和
经由所述第二压阻层连接到所述压电转换器层的相对的第二表面，
所述第二电路部分被配置成使电荷能够在所述压电转换器层的相对的第一和第二表面之间被均衡。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述邻近第一压阻层的范围小于所述压电转换器层的范围。
19.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备包括与公共压电转换器层邻近地布置的多个离散的间隔开的第一压阻层。
20.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备是或者形成触摸屏、触摸屏像素、鞋、手表、衣服、便携式电子装置或机械能收集装置的一部分。
21.一种制造设备的方法，所述方法包括提供：
压电转换器层；和
与所述压电转换器层的第一表面电连通的邻近第一压阻层，
所述设备被配置成使得当所述压电转换器层变形以产生电荷时，所述邻近第一压阻层被配置成控制来自所述压电转换器层的电荷的流动；
其中所述方法还包括提供：
第一电路部分，其：
经由所述邻近第一压阻层电连接到所述压电转换器层的第一表面；和
电连接到所述压电转换器的相对的第二表面，
所述第一电路部分被配置成存储由所述压电转换器层产生的电荷；以及
第二电路部分，其连接到：
所述压电转换器层的第一表面；和
所述压电转换器层的相对的第二表面，
所述第二电路部分被配置成使电荷能够在所述压电转换器层的相对的第一和第二表面之间被均衡。
22.一种使用设备的方法，所述设备包括：
压电转换器层；和
与所述压电转换器层的第一表面电连通的邻近第一压阻层，
所述设备被配置成使得当所述压电转换器层变形以产生电荷时，所述邻近第一压阻层被配置成控制来自所述压电转换器层的电荷的流动；
其中所述设备还包括：
第一电路部分，其：
经由所述邻近第一压阻层电连接到所述压电转换器层的第一表面；和
电连接到所述压电转换器的相对的第二表面，
所述第一电路部分被配置成存储由所述压电转换器层产生的电荷；以及
第二电路部分，其连接到：
所述压电转换器层的第一表面；和
所述压电转换器层的相对的第二表面，
所述第二电路部分被配置成使电荷能够在所述压电转换器层的相对的第一和第二表面之间被均衡。
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