CN106950398A - 三轴角加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及三轴角加速度计。本文描述了角加速度计以及采用这种加速度计的系统。角加速度计可以包括质量块和朝向质量块中心的旋转加速度检测梁。角加速度计可以具有对围绕三个正交轴的角加速度的感测能力。围绕三个轴之一的角加速度的感测区域比围绕其他两个轴的角加速度的感测区域在径向上可以更接近质量块中心。质量块可以通过一个或多个锚与基板连接。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2016年1月7日提交的、名称为"三轴角加速度计"的、代理人卷号为No.G0766.70071US00的、美国临时专利申请No.62/276,217的优先权，在此通过引用将该申请的全部内容并入本文。本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2016年5月2日提交的、名称为"三轴角加速度计"的、代理人卷号为No.G0766.70071US01的、美国临时专利申请No.62/330,788的优先权，在此通过引用将该申请的全部内容并入本文。
技术领域
本申请涉及微电子机械系统(MEMS)的角加速度计。
背景技术
MEMS角加速度计构造成检测质量块的围绕一个或多个轴的角加速度。质量块通常悬挂在基板的上方。在一些MEMS角加速度计中，通过使用一个或多个电容式传感器实现角加速度的检测。
发明内容
本文描述了角加速度计以及采用这种加速度计的系统。角加速度计可以包括质量块和朝向质量块中心的旋转加速度检测梁。角加速度计可以具有对围绕三个正交轴的角加速度的感测能力。围绕三个轴之一的角加速度的感测区域比围绕其他两个轴的角加速度的感测区域在径向上可以更接近质量块中心。质量块可以通过一个或多个锚与基板连接。
在一些实施例中，提供角加速度检测设备，包括质量块，具有外边缘、内边缘和中心，所述外边缘界定出第一区域，所述内边缘位于在所述第一区域内并且界定出小于第一区域的第二区域，中心位于所述第二区域内。所述质量块还包括多个梁，所述多个梁固定在所述质量块的内边缘上并且朝着所述质量块的中心延伸。
在一些实施例中，提供角加速度计，包括质量块和多个自由端梁，所述质量块具有外周边和中心，所述梁具有接近所述外周边的相应固定端和接近所述中心的相应自由端。
在一些实施例中，提供角加速度感测方法，包括：通过检测多个自由端梁的动作来感测质量块围绕旋转轴的角加速度，其中所述梁具有接近所述质量块外周边的相应固定端和接近所述质量块中心的相应自由端。
附图说明
将参考下面的附图描述本申请的各个方面和实施例。应当意识到，附图不必按照比例描绘。在所出现的所有附图中，用相同的附图标记表示在多个附图中出现的项目。
图1示意性示出根据本申请非限制性实施例的角加速度计的质量块，其中质量块可以构造成检测围绕x-轴、y-轴和/或z-轴的运动。
图2A是根据本申请非限制性实施例的角加速度计的质量块的俯视图，该质量块包括多根梁。
图2B是根据本申请非限制性实施例的另一个角加速度计的质量块的俯视图。
图3是根据本申请非限制性实施例的z-感测元件的俯视图，该z-感测元件包括一端固定在质量块的内边缘上的梁。
图4示出通过根据本申请非限制性实施例的z-感测元件产生的两个差分信号的实例。
图5A是根据本申请非限制性实施例的角加速度计的yz-平面的侧面图，该角加速度计包括质量块、锚柱和x-感测电极。
图5B是根据本申请非限制性实施例的角加速度计的xz-平面的侧面图，该角加速度计包括质量块、锚柱和y-感测电极。
图5C是根据本申请非限制性实施例的角加速度计的俯视图，该角加速度计包括x-感测电极、y-感测电极和z-感测电极。
图5D是示出根据一些非限制性实施例的角加速度计的一部分的俯视图，该角加速度计具有多个锚柱。
图6A是根据本申请非限制性实施例的角加速度计的质量块的俯视图，更详细地示出了栓带。
图6B是根据本申请非限制性实施例的具有对称栓带的角加速度计的一部分的俯视图。
图7A是示出根据本申请非限制性实施例的运动挡块的俯视图，该运动挡块布置在质量块的外边缘的旁边。
图7B是示出根据本申请非限制性实施例的运动挡块的俯视图，该运动挡块布置在质量块的中心附近。
图8是根据本申请非限制性实施例的角加速度计的俯视图，该角加速度计包括质量块和多个盖挡块。
图9是根据本申请非限制性实施例的角加速度计的侧面图，该角加速度计包括质量块，该质量块具有布置在质量块下侧的多个凸部和布置在质量块上侧的多个凸部。
图10A-10D示出结合有本文所述类型的角加速度计的各种系统的结构图。
图11示出当在图10A-10D的系统中实施时的输入/输出(I/O)界面的示例性实施方式的结构图。
图12示出形成图10A-10D的系统可以采用的类型的供电单元的结构图，包括能量收集器、可充电电源和能量储存系统。
图13A-13B示出图12的供电单元可以采用的类型的光电能量收集器。
图14示出图12的供电单元可以采用的类型的震动能量收集器。
图15A示出图12的供电单元可以采用的类型的电气过应力能量收集器。
图15B示出图15A的电气过应力能量收集器可以采用的类型的静电放电保护装置。
图16示出包括本文所述类型的一个或多个角加速度计和一个或多个光电收集器的集成系统。
图17示出图12的供电单元可以采用的示例性覆盖晶片的可充电电源的横截面图。
图18示出图12的集成有MEMS器件(例如，本文所述类型的角加速度计)的供电单元可以采用的超级电容器。
图19示出图12的供电单元可以采用的类型的超级电容器。
图20A示出根据本申请非限制性实施例的供电单元(例如，图12的供电单元)可以使用的超级电容器和电池装置组合的横截面图。
图20B示出超级电容器和电池装置组合的电路原理图。
图21A是具有柔性基板的组装装置套件的立体图，在该柔性基板上具有多个部件(例如，图10A-10D系统的部件)。
图21B是图21A的装置套件的侧面图。
图22示出包括构造成测量角加速度的装置的导管。
图23示出一手握住球拍的网球运动员，该球拍包括构造成测量角加速度的传感器。
图24是构造成使用角加速度计感测流体粘度的微流体通道的侧面图。
图25是人的头部的正面图，该人员佩戴有构造成感测角加速度的听力辅助装置。
图26示出躺在床上并具有一对穿过鼻子的饲管的病人。
图27是具有多个构造成感测摇摆运动的传感器的火车的侧面图。
具体实施方式
描述了检测围绕多达三个正交轴的角加速度的加速度计。加速度计可以具有一个常常呈盘子形状并悬挂在基板上方的质量块，质量块具有用于感测围绕三个轴的加速度的独立感测元件。独立感测元件距质量块中心以不同的距离布置。在一些实施例中，三个轴中的两个轴的感测元件距质量块中心以彼此相同的距离布置，而第三个轴的感测元件更接近质量块中心地布置。当质量块大致呈平面状时，检测围绕垂直于该平面的轴的角加速度的感测元件可以悬挂在以下结构上：该结构的一端固定在质量块的内边缘上，而另一个自由端比固定端更接近质量块的中心。下面将垂直于质量块平面的轴称为z-轴。下面将平行于质量块平面的轴称为x-轴和y-轴。
按照所述方式对感测元件进行定位可以减少加速度计输出信号的不良偏移并且还可以增加加速度计的敏感度。机械应力会不良地产生加速度计输出信号的偏移误差，并且当质量块被中心锚悬挂时可以更接近质量块的中心。按照上述方式对用于感测围绕z-轴的加速度的感测元件进行定位可以有利地减小机械应力对加速度计输出信号的影响。另外，对距质量块中心更远的x-轴和y-轴的感测元件进行定位会导致元件以更大的运动响应加速度，从而增加了加速度计的敏感度。
在至少一些实施例中，加速度计以低功率操作提供高敏感度的角加速度检测。加速度计可以是差速器，从而为三个轴中的围绕其检测角加速度的一个或多个轴提供差分信号。
本发明的方面提供栓带结构，用于将质量块的外部与质量块的中心部分拴在一起。可以提供多根栓带。一根或多根栓带可以具有蛇形结构，呈现相对于质量块的半径旋转对称。两根或更多栓带可以呈现相对于质量块的轴镜像对称。这种构造可以减小应力的影响并且抑制正交模态。
本文所述类型的加速度计可以用于各种探测角加速度或者没有角加速度的系统。结合了加速度计的装置可以用于物联网(Internet of Things，IoT)网络。例如，可穿戴装置(包括健康传感器和医疗监控器)、工业设备和诊断工具、军事设备以及医疗监控设备可以采用本所述类型的加速度计。
下面将进一步描述上述方面和实施例以及附加方面和实施例。这些方面和/或实施例可以单独使用、全部一起使用或者两个或以上任意组合使用，所以本申请不限于该方面。
根据本申请的这些方面，角加速度计可以包括一个构造成检测围绕三个轴的运动的质量块。图1示意性示出根据本申请非限制性实施例的角加速度计的质量块101，其中质量块可以构造成检测围绕x-轴、y-轴和/或z-轴的运动。
在一些实施例中，质量块101可以呈盘子形状。然而，可以使用任何其他适当形状。例如，在一些实施例中质量块101可以呈椭圆形状，或者在其他实施例中可以呈多边形形状。在一些实施例中质量块101所具有的盘子的半径可以在10μm至2mm之间，在一些实施例中可以在100μm至1mm之间，在一些实施例中可以在500μm至1mm之间，在一些实施例中可以在700μm至1mm之间，在一些实施例中可以在750μm至850μm之间，在一些实施例中可以在900μm至1mm之间，或者在一些实施例中可以在任何其他适当数值或数值范围之间。
在一些实施例中，质量块可以悬挂在基板上方并且可以通过一个或多个锚柱与基板连接。锚柱可以与质量块的中心或中心附近连接。在一些实施例中，质量块可以仅与接触质量块的大致中心的一个锚柱连接。
根据本申请的一个方面，质量块可以包括多个z-感测梁，该z-感测梁构造成检测围绕z-轴的旋转/运动并且朝着质量块的中心延伸以减少由机械应力产生的信号偏移。根据本申请的另一个方面，x-感测元件和y-感测元件可以定位在与质量块的周边相对应的位置，以分别增强围绕x-轴和y-轴的检测敏感度。
图2A是根据本申请非限制性实施例的角加速度计的质量块200的俯视图，该质量块包括多个z-感测梁。质量块200可以用作图1的质量块101。在一些实施例中，质量块可以包括导电材料，例如硅、掺杂硅、多晶硅或掺杂多晶硅。硅和/或多晶硅可以为n-掺杂和/或p-掺杂，在一些实施例中其掺杂浓度在1016cm-3至5x1020cm-3之间，在一些实施例中在1018cm-3至1020cm-3之间，在一些实施例中在5x1018cm-3至5x1019cm-3之间，或者在任何适当数值或数值范围之间。还可能为其他数值。在替换形式中，可以使用其他导电材料。在一些实施例中，质量块200可以由导电材料(例如，上述导电材料之一)制成。
在一些实施例中，质量块200可以包括一个或多个弯曲梁(例如，弯曲梁201、211和221)。在一些实施例中，弯曲梁可以呈环状。在一些实施例中。弯曲梁可以呈同心环状。通过实例且非限制性的方式，图2A示出具有三个弯曲梁的质量块200。然而，本申请不限于该方面，并且可以使用任何其他适当数量(大于零)的弯曲梁。每一个弯曲梁均可以具有内边缘和外边缘。每个外边缘均可以限定包括有相应内边缘的区域。例如，弯曲梁201可以具有外边缘202，该外边缘限定了包括内边缘204的区域。各个弯曲梁可以通过一个或多个支撑梁(例如，支撑梁215)连接。虽然图2A显示具有四个支撑梁的质量块，但是可以使用任何其他适当数量的支撑梁。支撑梁可以呈如图所示的矩形形状，或者任何其他适当形状。
在一些实施例中，质量块200可以包括中心部分230。在一些实施例中，中心部分230可以限定包围质量块200的中心的区域。在一些实施例中，中心部分230可以与一个或多个锚柱(在图2A中未示出)连接。锚柱可以与基板连接。在一些实施例中，作为对围绕x-轴和/或y-轴的一个或多个扭转的响应，锚柱可以用作质量块200的枢转支点。中心部分230可以具有任何适当形状。例如，中心部分230可以呈正方形形状、矩形形状、圆形形状、椭圆形形状等。在本文中，锚柱也可以简称为“锚”。
质量块可以对围绕x-轴和/或y-轴枢转而产生的扭转作出响应。作为对这种运动的响应，一个或多个x-感测元件和/或一个或多个y-感测元件可以检测一个或多个参数的变化。在一些实施例中，x-感测元件可以包括电容器，该电容器具有布置在基板上的第一电极和布置在质量块上的第二电极。在一些实施例中，质量块的面向第一电极的部分可以用作第二电极。在一些实施例中，y-感测元件可以包括电容器，该电容器具有布置在基板上的第一电极和布置在质量块上的第二电极。在一些实施例中，质量块的面向第一电极的部分可以用作第二电极。当质量块在锚柱周围围绕x-轴或y-轴枢转时，可以检测x-感测元件的电容或y-感测元件的电容的变化。在一些实施例中，质量块200可以包括两个x-感测元件。在一些实施例中，两个x-感测元件可以是电容性的。例如，质量块200可以包括相对于x-轴布置在质量块200相对两侧的电容器Cx -和Cx +。在一些实施例中，质量块200可以包括两个y-感测元件。在一些实施例中，两个y-感测元件可以是电容性的。例如，质量块200可以包括相对于y-轴布置在质量块200相对两侧的电容器Cy -和Cy +。
在一些实施例中，多个栓带(例如，栓带232)可以将中心部分230连接在内弯曲梁上。在一些实施例中，栓带可以用作弹簧，用于对xy-平面内的扭转提供回复力。弹簧可以用于对xy-平面内的扭转作出响应以使质量块恢复到未扰动的位置。栓带的弹性常数可以取决于栓带的形状。将在下面进一步论述栓带的形状。
在一些实施例中，质量块200可以包括多根用于检测围绕z-轴的扭转的梁(例如，z-感测梁216)。在本申请中，图2A所示类型的“梁”也可以称作“指”、“无夹具梁”或“z-感测梁”，在一些实施例中可以为悬臂梁。在一些实施例中，梁可以固定在弯曲梁的内边缘(例如，内边缘204)上。在一些实施例中，梁可以被悬挂，使得其接触内边缘204的区域作为唯一的固定点。在一些实施例中，梁可以朝着质量块200的中心延伸。在一些实施例中，梁可以朝着质量块200的中心径向延伸。作为对围绕z-轴的扭转的响应，梁可以围绕其接触内边缘204的区域在xy-平面上枢转。如下面进一步论述，当梁移动时，可以检测参数(例如，电容)的变化。质量块200可以包括任何适当数量的z-感测梁。与梁216类似，各种z-感测梁可以接触内边缘202。在一些实施例中，如图2A所示，质量块200可以包括第二套与弯曲梁211的内边缘接触的梁。虽然图2A示出了具有第二套梁的质量块200，但是本申请不限于该方面并且可以使用任何其他适当套数(大于零)的梁。在一些实施例中，接触弯曲梁201的梁可以长于接触弯曲梁211的梁。在一些实施例中，接触弯曲梁201的梁的角节距小于接触弯曲梁211的梁的角节距。
图2B是根据另一个非限制性实施例的角加速度计的质量块250的俯视图。质量块250可以具有与结合质量块200所述的特征相同的特征。然而，与质量块200不同的是，质量块250可以具有多边形形状(例如，正方形或矩形)。相应的是，质量块250可以包括具有多边形外边缘252的外部251。在一些实施例中，使用具有多边形外边缘而不是曲线外边缘的质量块可以提高芯片上基板面的利用率。也就是说，假如芯片上的可用空间相同，那么多边形质量块具有比曲线质量块更大的表面，因此质量更大。结果，可以提高角加速度计的敏感度。在下面的描述中经常对质量块200进行参考。应当理解，除非另有所指，那么也可以使用质量块250或其他形状的质量块。
图3是根据本申请非限制性实施例的包括梁的z-感测元件300的俯视图，该梁的一端固定在质量块的内边缘上。z-感测元件300可以包括接触内边缘204的梁216。在一些实施例中，如箭头320和箭头321所示，梁216可以构造成在xy-平面上移动以响应围绕z-轴的扭转。在一些实施例中，z-感测元件300可以包括电极313。在一些实施例中，电极313可以邻近梁216。在一些实施例中，电极313可以包括导电材料，例如铝、铜、掺杂硅和/或掺杂多晶硅。在一些实施例中，电极313可以与柱316连接。柱316可以与基板连接。虽然图3示出通过一个柱与基板连接的电极313，但是可以使用任何其他适当数量(大于1)的柱。在一些实施例中，可以形成电极313和梁216作为电极的电容器Cz +。当梁216移动来响应围绕z-轴的扭转时，梁216与电极313之间的距离会变化，从而产生电容器Cz +相关电容的变化。电容的变化可以用于检测围绕z-轴的扭转。梁216可以构造成对围绕z-轴的角加速度敏感。在一些实施例中，梁216可以对线性加速度和/或角速度不敏感。
在一些实施例中，z-感测元件300可以包括电极314。在一些实施例中，电极314可以邻近梁216。电极314可以相对于电极313布置在梁216的相反侧。在一些实施例中电极314可以包括导电材料，例如，铝、铜、掺杂硅和/或掺杂多晶硅。在一些实施例中，电极314可以与柱318连接。柱318可以连接在基板上。虽然图3示出通过一个柱与基板连接的电极314，但是可以使用任何其他适当数量(大于1)的柱。在一些实施例中，可以形成电极314和梁216作为电极的Cz -。当梁216移动来响应围绕z-轴的扭转时，梁216与电极314之间的距离会变化，从而产生电容器Cz -相关电容的变化。电容的变化可以用于检测围绕z-轴的扭转。
在一些实施例中，电容器Cz -相关电容的变化可以构造与电容器Cz +相关电容的变化相反。例如，如果ΔCz是对围绕z-轴扭转响应的电容器Cz -相关电容的变化，那么电容器Cx -相关电容的变化可以等于-ΔCz。结果，在xy-平面内的运动可以导致产生差分检测信号。Z-感测元件300可以构造成响应围绕z-轴的角加速度。在一些实施例中，z-感测元件300可以对线性加速度和/或角速度不敏感。
图4示出由根据本申请非限制性实施例的z-感测元件产生的差分信号的实例。在图4的非限制性实例中，可以向质量块200施加围绕z-轴的正弦扭转。为了响应这种扭转，梁216可以根据箭头320和321随时间移动，从而产生电容器Cz +相关电容随时间的正弦变化和电容器Cz -相关电容的相反变化。如图4所示，两个电容的变化导致产生差分信号402和404。在一些实施例中，使用差分信号比使用单端信号来抑制共模信号更好。例如，共模信号可以由相对于z-轴出现的线性加速度和/或由噪音产生。在另一个实例中，共模信号可以由在两个正交轴分别相关的两种模态之间出现的串音产生。
如前文所述，可以用电容器Cx +和Cx -检测围绕x-轴的扭转，可以用电容器Cy +和Cy -检测围绕y-轴的扭转。图5A是根据本申请非限制性实施例的角加速度计的yz-平面的侧面图，该角加速度计包括质量块200、锚柱503和x-感测电极541和542。在一些实施例中，质量块200可以布置在基板501上获得的腔502内。例如，腔502可以通过蚀刻一部分基板501来获得。在一些实施例中，基板501可以为硅基板。在一些实施例中，质量块200可以通过锚柱503与基板501连接。在一些实施例中，锚柱503可以连接在中心部分230上。在其他实施例中，中心元件230可以用作锚柱503。沿着z-轴测量的质量块下表面与基板上表面之间的距离在一些实施例中可以为1μm至10μm之间，在一些实施例中可以在1.5μm至3μm之间，在一些实施例中可以在1.7μm至1.9μm之间，或者在任何适当数值或数值范围之间。其他数值也是可以的。质量块200的沿着z-轴测量的厚度在一些实施例中可以在1μm至50μm之间，在一些实施例中可以在10μm至20μm之间，在一些实施例中可以在15μm至17μm之间，或者在任何适当数值或数值范围之间。其他数值也是可以的。
图5A示出布置在基板501上、位于锚柱503相对两侧的x-感测电极541和542。在一些实施例中，x-感测电极541和542可以布置在与质量块200的外边缘(例如，外边缘202)相对应的位置。在一些实施例中，可以形成x-感测电极542和质量块200作为电极的电容器Cx +。作为向质量块200施加的围绕x-轴的一个或多个扭转的响应，质量块200可以使用锚柱503作为支点围绕x-轴枢转。因此，质量块200与x-感测电极542之间的距离会变化，从而产生电容器Cx +相关电容的变化。电容的变化可以用于检测围绕x-轴的扭转。
在一些实施例中，可以形成x-感测电极541和质量块200作为电极的电容器Cx -。作为向质量块200施加的围绕x-轴的一个或多个扭转的响应，质量块200可以使用锚柱503作为支点围绕x-轴枢转。因此，质量块200与x-感测电极541之间的距离会变化，从而产生电容器Cx -相关电容的变化。电容的变化可以用于检测围绕x-轴的扭转。
在一些实施例中，电容器Cx -相关电容的变化可以构造成与电容器Cx +相关电容的变化相反。例如，如果ΔCx是电容器Cx -相关电容的变化，那么电容器Cx +相关电容的变化可以等于-ΔCx。结果，在yz-平面内的运动可以导致产生差分检测信号。
图5A进一步示出电极313，该电极可以作为如图3所示z-感测元件300的部件。为了简洁，在图5A中仅示出一个电极313。如上文所述，电极313可以通过柱316与基板501连接。在一些实施例中，柱316可以由导电材料制成。在一些实施例中，z-感测电极540可以布置在基板501上并且可以经由柱316与电极313电接触。在一些实施例中，电极540可以布置在基板501的上表面下方。在一些实施例中，电极501可以包括多晶硅或掺杂多晶硅。
在一些实施例中，x-感测电极541可以位于任何适当位置，使得x-感测电极541与锚柱503之间的距离大于电极313与锚柱503之间的距离，其中两个距离均在xy-平面上测量。类似的是，x-感测电极542可以位于任何适当位置，使得x-感测电极542与锚柱503之间的距离大于电极313与锚柱503之间的距离，其中两个距离均在xy-平面上测量。
图5B是根据本申请非限制性实施例的角加速度计的xz-平面的侧面图，该角加速度计包括质量块200、锚柱503和y-感测电极551和552。图5B示出布置在基板501上、位于锚柱503相对两侧的y-感测电极551和552。在一些实施例中，y-感测电极551和552可以布置在与质量块200的外边缘(例如，外边缘202)相对应的位置。在一些实施例中，可以形成y-感测电极552和质量块200作为电极的Cy +。作为向质量块200施加的围绕y-轴的一个或多个扭转的响应，质量块200可以使用锚柱503作为支点围绕y-轴枢转。因此，质量块200与y-感测电极552之间的距离会变化，从而产生电容器Cy +相关电容的变化。电容的变化可以用于检测围绕y-轴的扭转。
在一些实施例中，可以形成y-感测电极551与质量块200作为电极的电容器Cy -。作为向质量块200施加的围绕y-轴的一个或多个扭转的响应，质量块200可以使用锚柱503作为支点围绕y-轴枢转。因此，质量块200与y-感测电极551之间的距离会变化，从而产生电容器Cy -相关电容的变化。电容的变化可以用于检测围绕y-轴的扭转。
在一些实施例中，电容器Cy -相关电容的变化可以构造成与电容器Cy +相关电容的变化相反。例如，如果ΔCy是电容器Cy -相关电容的变化，那么电容器Cy +相关电容的变化可以等于-ΔCy。结果，在xz-平面内的运动可以导致产生差分检测信号。
图5B进一步示出电极313，该电极可以作为如图3所示z-感测元件300的部件。为了简洁，在图5B中仅示出一个电极313。如上文所述，电极313可以通过柱316与基板501连接。在一些实施例中，柱316可以由导电材料制成。在一些实施例中，z-感测电极540可以布置在基板501上并且可以经由柱316与电极313电接触。在一些实施例中，电极540可以布置在基板501的上表面下方。在一些实施例中，电极501可以包括多晶硅或掺杂多晶硅。
在一些实施例中，y-感测电极551可以位于任何适当位置，使得y-感测电极551与锚柱503之间的距离大于电极313与锚柱503之间的距离，其中两个距离均在xy-平面上测量。类似的是，y-感测电极552可以位于任何适当位置，使得y-感测电极552与锚柱503之间的距离大于电极313与锚柱503，之间的距离，其中两个距离均在xy-平面上测量。
图5C是根据本申请非限制性实施例的角加速度计的俯视图，该角加速度计包括x-感测电极、y-感测电极和z-感测电极。与弯曲梁201的内边缘204和外边缘202、弯曲梁211的内边缘214和外边缘212相对应的虚线可以布置在与质量块200的表面相对应的xy-平面上。虽然图5C示出两个弯曲梁，但是可以使用任何适当数量的弯曲梁。
在一些实施例中，x-感测电极541和542可以布置在基板501上的与弯曲梁201相对应的位置。在一些实施例中，x-感测电极541和542可以布置在与外边缘202相对应的位置。在一些实施例中，x-感测电极541和542可以布置在弯曲梁201的相对两侧。x-感测电极541可以与金属垫Sx -连接，该金属垫可以经由引线接合或者通过探针接入。类似的是，x-感测电极542可以与金属垫Sx +连接，该金属垫可以经由引线接合或者通过探针接入。在一些实施例中，金属垫ref可以与锚柱连接并且构造成提供基准电压。
在一些实施例中，质量块200围绕x-轴的运动可以导致在金属垫Sx -与金属垫ref之间产生第一电压。在一些实施例中，质量块200围绕x-轴的运动可以导致在金属垫Sx +与金属垫ref之间产生第二电压。在一些实施例中，这两个电压可以形成两个差分信号。相应的是，当质量块围绕锚柱503枢转时，弯曲梁201的与x-感测电极541相对应的部分可以朝着(或远离)x-感测元件541移动，而与此同时，弯曲梁201的与x-感测电极542相对应的部分可以远离(或朝着)x-感测元件542移动。
在一些实施例中，y-感测电极551和552可以布置在基板501上的与弯曲梁201相对应的位置。在一些实施例中，y-感测电极551和552可以布置在与外边缘202相对应的位置。在一些实施例中，y-感测电极551和552可以布置在弯曲梁201的相对两侧。y-感测电极551可以与金属垫Sy -连接，该金属垫可以经由引线接合或者通过探针接入。类似的是，y-感测电极552可以与金属垫Sy +连接，该金属垫可以经由引线接合或者通过探针接入。在一些实施例中，质量块200围绕y-轴的运动可以导致在金属垫Sy -与金属垫ref之间产生第一电压。在一些实施例中，质量块200围绕y-轴的运动可以导致在金属垫Sy +与金属垫ref之间产生第二电压。在一些实施例中，相应的是，当质量块围绕锚柱503枢转时，弯曲梁201的与y-感测电极551相对应的部分可以朝着(或远离)y-感测元件551移动，而与此同时，弯曲梁201的与y-感测电极552相对应的部分可以远离(或朝着)y-感测元件552移动。
在一些实施例中，结合图3描述的多个z-感测元件(例如，z-感测元件300)可以接触内边缘204。虽然图5C示出了4个z-感测元件，但是可以使用任何适当数量的z-感测元件。在一些实施例中，z-感测元件可以包括一端固定在内边缘204上的梁216。在一些实施例中，z-感测元件可以包括布置在梁216的相对两侧的电极313和314。电极313和314可以分别通过柱316和柱318与布置在基板501上的z-感测电极(在图5C中未示出)连接。
在一些实施例中，如图5C所示，全部z-感测电极或z-感测电极的与电极313耦合的部分可以相互连接。这种z-感测电极还可以进一步与金属垫Sz -连接。在一些实施例中，如图5C所示，全部z-感测电极或z-感测电极的与电极314耦合的部分可以相互连接。这种z-感测电还可以进一步与金属垫Sz +连接。金属垫Sz -和Sz +可以经由引线接合或通过探针接入。在一些实施例中，质量块200围绕z-轴的运动可以导致在金属垫Sz -与金属垫ref之间产生第一电压。在一些实施例中，质量块200围绕z-轴的运动可以导致在金属垫Sz +与金属垫ref之间产生第二电压。在一些实施例中，这两个电压可以形成两个差分信号。相应的是，当梁216朝着和远离电极313和314移动时，电容器Cz -和Cz +相关电容会变化，从而导致产生差分信号(例如，如图4所示的差分信号402和404)。
结合图5C所示的实施例可以构造成抑制或减少x-感测元件与y-感测元件之间出现的串音。在一些实施例中，当存在围绕x-轴的加速度时，x-感测电极541和542可以感测两个差分信号，而y-感测电极551和552不能感测任何信号。在一些实施例中，当存在围绕x-轴的加速度时，x-感测电极541和542可以感测两个差分信号，而y-感测电极551和552可以感测共模信号。可以通过从在金属垫Sy +上测量的信号中减去在金属垫Sy -上测量的信号来消除共模信号，或者反之亦然。类似的是，当存在围绕y-轴的加速度时，y-感测电极551和552可以感测两个差分信号，而x-感测电极541和542可以感测共模信号。可以通过从在在金属垫Sx +上测量的信号中减去在金属垫Sx -上测量的信号来消除共模信号，或者反之亦然。标记为gnd的金属垫可以用作接地端。在一些实施例中，可以用与质量块相同的电位对gnd金属垫施加偏压。
结合图5A-5C描述的实施例示出通过锚柱与基板连接的质量块，其中该锚柱连接在质量块的中心附近。在一些情况中，质量块通过一个锚柱与基板连接可以使角加速度计对线性加速度敏感。例如，作为对沿着x-轴的线性加速度的响应，可以产生质量块围绕y-轴的扭转。这种行为是不需要的，因为即使在不存在角加速度的情况下质量块也可以产生检测信号。使用一个以上的锚柱可以减少不需要的行为的产生。现在描述一个实例。
图5D是示出根据一些非限制性实施例的角加速度计的一部分的俯视图，该角加速度计具有多个锚柱。如图所示，角加速度计可以包括中心部分230、栓带232、锚柱553和连接前面结合图2A-2B所述的弯曲梁221的梁555。虽然图5D示出了具有4个锚柱的角加速度计，但是可以使用任何其他适当数量的锚柱。锚柱可以相对彼此等角度偏移。例如，当使用4个锚柱时，每个锚柱553相对于相邻锚柱角度偏移大约90°(例如，在89°至91°之间，或者在85°至95°之间)。可以选择中心部分230的中心与锚柱位置之间的径向距离以对线性加速度提供所需程度的抗干扰性。例如，增加该径向距离可以导致增加对线性加速度的抗干扰性。然而，由于质量块的有效扭转刚性的增加，较大的径向距离也可以导致对角加速度敏感度的下降。
在一些实施例中，锚柱可以经由梁555与质量块连接。例如，锚柱553可以经由栓带232与中心部分230连接，中心部分230可以经由梁555与弯曲梁221连接。在一些实施例中，梁555可以比栓带232更硬。在一些实施例中，每根梁555可以相对于相邻锚柱角度偏移大约45°(例如，在44°至46°之间，或者在40°至50°之间)。当出现围绕z-轴的角加速度时，栓带232可以在xy-平面内弯折，从而允许质量块运动。同时，梁555可以在平面内转动，从而使质量块转动。
如上文所述，栓带232可以显示出能够使质量块200恢复到未扰动的位置的弹性常数。在一些实施例中，栓带232还进一步构造成吸收在质量块200内产生的应力。相应的是，栓带可以是局部挠曲的并且可以根据所施加的应力调节其形状，从而减小质量块外部受到的应力。在一些实施例中，栓带可以进一步构造成抑制非正交模态(例如，对角线模态)。栓带232可以是非对称的或者对称的。
图6A是角加速度计的质量块的俯视图，更详细地示出了质量块200的中心。如图所示，可以使用对称栓带。在一些实施例中，质量块200可以包括与一个或多个锚柱(例如，锚柱503)连接的中心部分230。在其他实施例中，中心部分230可以用作锚柱503。中心部分可以呈正方形、圆形、矩形、椭圆形或者任何其他适当形状。中心部分可以通过一个或多个栓带632与最内弯曲梁(例如，弯曲梁221)的内边缘连接。栓带632可以用作栓带232。在一些实施例中，栓带632可以呈蛇形形状。在一些实施例中，栓带632可以包括呈S形状的元件。栓带632还可以包括使S形状元件与中心部分230连接的第一梁和使S形状元件与弯曲梁221连接的第二梁。在一些实施例中，栓带632可以相对于以下轴(例如，轴295)不对称，该轴平行于穿过栓带和质量块中心的半径。在一些实施例中，栓带632可以相对于位于中心部分230与弯曲梁221之间的点(例如，点297)180度旋转对称。在一些实施例中，点297可以是中心部分230的边缘与弯曲梁221的内边缘之间的中点。在一些实施例中，栓带632可以相对于以下轴与相反栓带对称，该轴穿过质量块的中心并且垂直于该栓带的轴。这种对称性被称为镜像对称。
不对称的栓带632可以使质量块在一些情况下能够响应线性加速度。例如，作为对沿着x-轴的线性加速度的响应，可以产生质量块围绕z-轴的扭转。这种行为是不需要的，因为即使在不存在角加速度的情况下质量块也可以产生检测信号。因此，在一些实施例中可以使用对称栓带，在一些实施例中对称栓带对不需要扭转不太敏感。与不对称栓带不同，对称栓带可以防止质量块的扭转来响应线性加速度。图6B示出根据一些非限制性实施例的对称栓带的实例。栓带633可以用作其中任何一个栓带232。如图所示，栓带633可以相对于对称轴285对称。栓带633可以构造成允许质量块旋转来响应角加速度，而基本上保持静止来响应线性加速度。在一些实施例中，可以蚀刻一个或多个穿过栓带633的孔639。例如，如图6B所示，可以沿着对称轴285蚀刻孔。可以选择孔的形状和数量以根据需要控制栓带633的刚度。例如，在一些实施例中，增加孔的尺寸和/或数量可以降低栓带的刚度。
在一些情况下，质量块200可以经受量级大到足以损害部分质量块的加速度。例如，围绕z-轴的大加速度可以使质量块的运动超出栓带的有效范围。结果，栓带会超过其弹性限制，从而遭受永久损坏。在一些实施例中，为了防止栓带损坏，可以采用呈内挡块和/或外挡块形式的运动挡块。然而，可以使用任何其他适当类型的挡块。
图7A是根据本申请非限制性实施例的布置在质量块200边缘附近的运动挡块的俯视图。如图7A所示，质量块200的外边缘(例如，外边缘202)可以包括一个或多个突部750。在一些实施例中，外边缘202可以包括沿着外周布置的突部750类型的多个突部。突部750可以包括固定在外边缘202上并且伸出其外周的元件。该元件呈矩形、圆形或任何其他适当形状。在一些实施例中，外挡块752可以布置在基板501上并且临近外边缘202。外挡块752可以直接布置在基板501上，或者可以布置在与基板501接触的多个柱上。在一些实施例中，外边缘752可以包括与突部750相对应的突部。在一些实施例中，外挡块752可以与外边缘202相距一定距离地布置，从而形成缝隙751。缝隙的尺寸可以在500nm至5μm之间，在800nm至2μm之间，在1μm至1.4μm之间，或者在任何适当数值或数值范围之间。其他数值也是可以的。
外挡块752可以用于防止质量块200响应大量级加速度而围绕z-轴过度运动。在一些实施例中，缝隙751可以为质量块200提供足够的空间以便响应量级在安全阈值之下的加速度而围绕z-轴移动。如果在质量块200上围绕z-轴施加量级超过安全阈值的加速度，那么突部750的侧壁会撞击外挡块752的相应突部的侧壁，从而限制了质量块的运动。虽然图7A所示的外挡块包括伸出边缘外周的突部，但是其他构造也是可以的。例如，外边缘202和外挡块可以包括彼此对应的齿部。外挡块可以与外边缘相距一定距离地布置，从而在其之间形成缝隙。当围绕z-轴施加超过安全阈值的加速度时，边缘齿部的侧壁会撞击外挡块的相对应齿部的侧壁，从而限制质量块的运动。
图7B是示出根据本申请非限制性实施例的布置在质量块中心附近的运动挡块的俯视图。在一些实施例中，可以在两个连续栓带232、中心部分230和最内弯曲梁内边缘的边界区域形成空隙。在一些实施例中，该空隙至少部分地填充有内挡块(例如，内挡块760)。在一些实施例中，内挡块760可以直接布置在基板501上，或者可以布置在与基板501接触的多个柱上。在一些实施例中，内挡块760可以与栓带232相距一定距离地布置，从而形成缝隙761。缝隙的尺寸可以在500nm至5μm之间，在800nm至2μm之间，在1μm至1.4μm之间，或者在任何适当数值或数值范围之间。其他数值也是可以的。在一些实施例中，可以在内挡块760与最内弯曲梁的内边缘之间形成缝隙。在一些实施例中，栓带与内挡块之间的缝隙可以大于内挡块与最内弯曲梁之间的缝隙。
内挡块760可以用于防止质量块200响应大量级加速度而围绕z-轴过度运动。在一些实施例中，缝隙761可以为质量块200提供足够的空间以便响应量级在安全阈值之下的加速度而围绕z-轴移动。如果在质量块200上围绕z-轴施加量级超过安全阈值的加速度，那么栓带232可以撞击内挡块760的侧壁，从而限制质量块的运动。在一些实施例中，可以在最内弯曲梁内存在的多个空隙中布置多个内挡块。例如，在图6A(或图6B)中示出的实施例可以包括布置在所示的4个空隙中的4个内挡块。
在一些情况下，围绕x-轴和/或y-轴的加速度可以具有大到足以损坏部分质量块的量级。例如，质量块可以经受过度旋转并且在一些情况下会与锚柱分离。在一些实施例中，为了防止质量块的过度旋转，在质量快上可以采用盖挡块。图8是包括质量块200和多个盖挡块801的角加速度计的俯视图。虽然图8示出了8个盖挡块，但是可以使用任何其他适当数量的盖挡块。盖挡块可以形成在覆盖层中，沿着z-轴测量，该覆盖层位于与质量块200相距一定距离的位置。该距离在一些实施例中可以在100nm至100μm之间，在一些实施例中可以在1μm之间20μm，在一些实施例中可以在1μm至10μm之间，在一些实施例中可以在1μm至2μm之间，或者在任何其他适当数值或数值范围之间。在一些实施例中，覆盖层可以是覆盖晶片的一部分。在一些实施例中，覆盖晶片可以结合在包括质量块的晶片上。在一些实施例中，盖挡块可以包括梁。在一些实施例中，盖挡块可以包括与梁的一端连接的元件。该元件可以呈圆形、椭圆形、多边形或任何其他适当形状。盖挡块可以构造成作为量级超过安全阈值的加速度的响应而限制质量块围绕x-轴和/或y-轴的运动。如果量级超过安全阈值的加速度围绕x-轴和/或y-轴施加在质量块200上，质量块200可以撞击一个或多个盖挡块801，从而限制质量块的运动并且避免过度旋转。
在一些情况下，质量块200在移动以响应围绕x-轴和/或y-轴的加速度时可以撞击基板501和/或一个或多个盖挡块801。在一些这种情况下，质量块200的下表面可以粘贴在基板501上和/或质量块200的上表面可以粘贴在一个或多个盖挡块801上。这种情形是不需要的，因为质量块与表面(无论基板还是盖挡块)的粘附会妨碍质量块自由移动以响应加速度的能力。为了避免粘附，一个或多个凸部可以布置在质量块200的上表面和/或下表面上。
图9是包括质量块200的角加速度计的侧面图，该质量块具有布置在质量块下侧的一个或多个下侧凸部904和布置在质量块上侧的一个或多个上侧凸部902。下侧凸部可以构造成防止质量块的下侧粘贴在基板501上。下侧凸部可以布置在质量块200下侧的任何适当位置。例如，下侧凸部904可以布置在弯曲梁201的下侧。上侧凸部可以构造成防止质量块的上侧粘贴在盖挡块801上。例如，如图8所示，上侧凸部902可以布置在弯曲梁201的上侧并位于xy-平面上的与盖挡块801对应的位置。
结合质量块200描述了图3-9的实施例的特征。然而，应当意识到，这些特征和实施例也可以用于质量块250。
本申请的方面可以提供一种或多种益处，其中一部分益处已经在前文描述。现在描述的是这些益处的一些非限制性实例，但是应当意识到，所有方面和实施例不必提供全部现在所述的益处并且可以用一些方面实现除了现在所述益处以外的益处。
本申请的各个方面允许一个质量块三轴角加速度计展现出最小信号偏差。信号偏差可以由加速度敏感元件所经受的机械应力产生。在具有一个锚柱的角加速度计中，信号偏差会特别严重。根据本申请的方面，可以通过朝着质量块中心延伸感测元件来减少感测元件所经受的机械应力的量。
本申请的各个方面允许一个质量块三轴角加速度计展现出很高的并且至少在一些实施例中最高的检测敏感度。可以通过以下方式增强检测敏感度：将感测围绕x-轴和/或y-轴加速度的元件定位在与锚柱相距一定距离的位置，该位置大于任何一个z-感测元件与锚柱之间的距离。
本申请的各个方面提供了低功率三轴角加速度计。在一些实施例中，加速度计可以消耗小于100微瓦的功率，小于20微瓦的功率，小于10微瓦的功率，在5至50微瓦之间的功率，或者在该范围内的任何数值或数值范围。加速度计可以在输出数据速率上消耗小于20微安培。因此，加速度计可以为自身提供低功率应用，例如在电池驱动装置中使用。
根据本申请一个或多个方面的角加速度计可以提供各种有益的操作特性。在一些实施例中，加速度计可以提供的角速率检测在1,000rad/s2至20,000rad/s2之间，或者该范围内的任何范围。可变和多单元电梳增加，并且在一些实施例中使侧向电容最大。可以提供有益的尺寸。例如，在一些实施例中，质量块的半径可以在800微米至950微米之间。该装置可以使用16微米MEMS加工技术制造。在一些实施例中，温度传感器可以整合有加速度计。可以提供三到四根电线SPI。
本文所述类型的三轴角加速度计可以形成具有多种领域应用的各种系统的一部分，这些领域例如为体育、医疗和工业设置(例如，机器健康监控)等。各种系统可以形成物联网网络的一部分或者用于物联网网络。现在描述这种系统和应用的实例。
图10A示出结合有本文所述角加速度计的一种系统的实例，该系统可以被认为是角加速度传感器。系统1000A包括角加速度计1002、读出电路1004、输入/输出(I/O)接口1006和供电单元1050。角加速度计1002可以具有结合图1-3、5A-5C、6、7A、7B、8和9所述的类型或者本文所述的任何适当类型。
读出电路1004可以构造成提供与角加速度计1004感测的角加速度成正比的信号。例如，读出电路1004可以与图5C所示的金属垫连接以生成与感测电容成正比的信号。例如，读出电路1004可以连接至：(a)金属垫Sx -和Sx +；和/或(b)金属垫Sy -和Sy +；和/或(c)金属垫Sz -和Sz +。从这些连接，读出电路1004可以分别生成与相应电容器Cx -和Cx +、Cy -和Cy +以及Cz -和Cz +的电容成正比的信号。在一些实施例中，所产生的信号可以是单端型的，而在其他实施例中，这些信号可以是差分的。读出电路可以包括用于进行这种读出功能的任何适当部件以及处理诸如过滤、放大和解调等功能的信号电路。在一些实施例中，读出电路可以包括跨阻放大器。在一些实施例中，读出电路可以是专用集成电路(ASIC)并且可以形成在与角加速度计不同的基板上，或者在一些实施例中形成在相同的基板上。
在图10A的系统中，读出电路1004与I/O接口1006连接，该I/O接口可以用作系统1000A与外部设备(例如，远程计算机或服务器)通信的通信接口。因此，I/O接口1006可以将角加速度计1002感测的角加速度传送到系统1000A外部以进一步处理和/或显示。除此以外或者作为选择，I/O接口1006可以从外部设备接收通信(例如，控制信号、无线充电信号或软件升级)。
I/O接口1006可以是有线的或者无线的。适当的有线连接包括通用串行总线(USB)和火线连接等。在使用有线连接的实施例中，连接可以是插接式的。有线连接可以用于系统1000A相对不动的设定，例如当固定在基本静止的物体上时或者当系统1000A与通信的外部设备之间的距离保持相对恒定时。然而，在一些实施例中，I/O接口可以是无线的，例如通过柔性射频(RF)天线通信。
图11示出了I/O接口1006的示例性实施方式的结构图。图11的无线I/O接口1100可以用作图10A的I/O接口1006。无线接口I/O 1100可以构造成通过Wi-Fi、蓝牙、低功耗蓝牙(BLE)、无线个域网(Zigbee)、线程(Thread)、ANT、ANT+、IEEE 802.15.4、IEEE 802.11.ah或任何其他适当无线通信协议发送和/或接收数据。作为选择或者除此以外，无线I/O接口可以构造成使用专有连接协议发送和/或接收数据。无线I/O接口1100可以包括天线1102，RF匹配1104、多路转换器(mix)1106、放大器1108和1112、接收路径1110、发送路径1114、无线调制解调器1116、无线处理器1118、存储器存取控制1120、主处理机1122、数字I/O模块1124、系统诊断程序1130、存储器1132和1134、直接存储器存取1136、计时器1138、系统电源管理1140、混合信号传感器接口1142或其任何适当组合。天线1102可以包括微带无线、环形无线、隙缝天线、蛇形天线或任何其他适当类型的天线。在一些实施例中，天线1102可以包括一个或多个碳纳米管天线。RF匹配1104可以与天线1102连接并且可以包括构造成提供阻抗匹配和/或所需阻抗的电路。多路转换器(mux)1106可以构造成在时间域和/或频率域中组合和/或分开通信信道。作为选择或者除此以外，多路转换器1106可以构造成使指向天线1102的发送信号与天线1102获得的接收信号分开。放大器1108可以构造成对用天线1102接收的信号进行放大。在一些实施例中，可以提供接收路径1110并且接收路径可以与放大器1108耦合。在一些实施例中，接收路径1110可以包括过滤器。类似的是，发送路径1114可以包括过滤器，并且构造成向放大器1112提供发送信号。无线调制解调器1116可以包括构造成对用于发送的信号进行调制和/或对接收到的信号进行解调的电路。
无线处理器1118可以构造成选择通信协议的类型、数据速率、通信信道，发送数据的类型或任何其他适当发送参数。发送数据可以储存在存储器1132或存储器1134中。无线处理器1118可以构造成访问储存在无线I/O接口1100的任何存储器中的数据。存储器存取控制1120和直接存储器存取1136可以构造成访问无线I/O接口1100的任何存储器，而与无线处理器1118无关。例如，主处理机可以使用直接存储器存取1136请求访问存储器而不必向无线处理器1118发送中断信号。主处理机1122可以构造成控制无线I/O接口1100的操作。例如，主处理机可以控制系统电源管理1140以使无线I/O接口处于休眠模式，从而增加电池寿命。I/O接口可以在某些预定时间处于休眠模式。在一些实施例中，I/O接口可以处于休眠模式并且以定期间隔(例如，每秒一次)唤醒以监控装置(例如，ASIC 1010)是否已经提供唤醒信号。ASIC 1010可以构造成当传感器(例如，加速度计1002)已经检测到信号或信号变化时提供唤醒信号。在一些实施例中，休眠/唤醒工作周期可以小于50％、小于20％、小于1％或小于0.1％。
在一些实施例中，主处理机1122可以构造成对传感器(例如，角加速度计1002)获得的数据进行数据压缩。例如，压缩可以包括产生表示现有数据集变化的数据集。进行压缩可以减小待发送包或序列的尺寸。
计时器1138可以向无线I/O接口1100提供时间基准。系统诊断程序1130可以构造成进行测试以验证无线I/O接口1100的部件的任何适当组合的完整性。混合信号传感器接口1142和数字I/O模块1124可以构造成提供用一个或多个传感器获得的信号。
在一些实施例中，无线I/O接口1100可以构造成发送连续数据通量。在这些实施例中，传感器(例如，角加速度计1002)所获得的数据可以以流模式发送。在其他实施例中，数据可以在I/O接口的存储器(例如，存储器1132或1134)内缓存。在这些实施例中，处理器(例如，无线处理器1118或主处理机1122)可以构造成访问在存储器中缓存的数据并且向发送天线1102提供数据。在一些实施例中，天线1102和/或无线I/O接口1100的任何适当部件可以布置在基板(例如，柔性基板)上。
回到图10A，供电单元1050可以向系统1000A的一部分或全部部件提供动力并且呈多种形式。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个电池。如前文所述，本文所述类型的角加速度计至少在一些实施例中可以消耗足够少的功率，以能够仅靠电池动力使其操作持续一段时间。在一些实施例中，电池是可充电的。供电单元1050可以包括一个或多个锂离子电池、锂聚合物(LiPo)电池、基于超级电容器的电池、碱性电池、铝离子电池、汞电池、干电池组、锌碳电池、镍镉电池、石墨烯电池或任何其他适当类型的电池。
在一些实施例中，供电单元1050可以包括将AC电转换成DC电的电路。例如，供电单元1050可以例如经由I/O接口1006从系统1000A外部的电源接收AC电并且可以向系统1000A的一部分或全部部件提供DC电。在这种情况下，供电单元1050可以包括整流器、电压调节器、DC-DC转换器或用于功率转换的任何其他适当设备。
在一些实施例中，供电单元1050可以包括能量收集部件和/或能量储存部件。能量可以从周围环境中收集并且被储存以在需要时为系统1000A提供动力，这可以包括周期性、随机或持续提供动力。可以基于系统1000A的预期环境来选择所实施的能量收集部件的类型，例如，在其他可能的考虑因素之中，基于系统1000A可能经受的期望量级和动作频率、系统可能经受的曝光量和/或系统可能暴露的温度。结合图12、13A-13B、14、15、16、17、18、19和20A-20B示出并描述了适当能量收集技术的实例。
图12示出了根据一些非限制性实施例的供电单元1050的示例性实施方式的结构图。供电单元1050可以包括一个或多个能量收集器1201、一个或多个可充电电源1203、一个或多个能量储存系统1202和控制器1204。能量收集器1201可以包括电热能量收集器1211、震动收集器1212、电气过应力收集器1213、光电收集器1214、射频(RF)收集器1215、动能采集1216中的一者或多者或者其任何适当组合。作为选择或者除此以外，可以使用其他适当类型的能量收集器。在一些实施例中，供电单元1050可以包括控制器1204，该控制器可以包括任何适当逻辑电路，例如处理器、专用集成电路(ASIC)或现场可编程逻辑门阵列(FPGA)。控制器1204可以与可充电电源1203连接和/或与能量储存系统1202连接和/或与能量收集器1201连接。基于被通电系统的要求，控制器1204可以构造成选择所提供的输出功率类型，例如交流电(AC)或直流电(DC)功率。在一些实施例中，给予收集电力的可用性，控制器1204可以构造成选择是否输出通过能量收集器1201收集的、存储在可充电电源1203或能量储存系统1202或其适当组合中的电力。
在图13A-13B中示出了可以用作电热能量收集器1211的电热能量收集器的非限制性实例。图13A的电热能量收集器1300可以包括位于基板层1330之上并且位于介电层1320之内的多个电热元件1310A、1310B。电热元件1310A、1310B可以包括具有不同类型电热材料(例如，p-型和n-型)的元件。电热元件1310A、1310B可以相互连接，使得每个电热元件都促成电热能量收集器1300所提供的全部能量以响应第一侧(例如，热侧)与第二侧(例如，冷侧)之间的温度梯度。在介电层1320上方可以提供热接触层1340以支持第一侧与第二侧指间的温度梯度。热接触层1340可以由作为良好热导体的材料制成。
如图13A所示，电热能量收集器1300可以包括设置有介电层1320的竖直结构并且可以由单晶片形成。电热能量收集器1300的晶片规模结构允许其与基板1330上或附近的其他集成电路部件整合(在图13A中未示出)。
如前文所述，电热元件1310A、1310B可以包括不同类型的电热材料(例如，p-型和n-型)。电热元件1310A、1310B的电热材料可以选择为产生从电热元件一端到另一端的具有不同极性的电荷载子流，以响应两端之间的温度差。在包括p-型材料的电热元件1310A中，正电荷载子可以从热端流到相反的冷端。相反，在包括n-型材料的电热元件1310B中，电子可以从具有热源的一端流到较冷的相反端。
多个电热元件1310A、1310B可以连接成阵列，同时在相邻电热元件1310A和1310B中(例如，在n-型和p-型之间)交替材料类型。按照这种方式，在电热元件1310A和1310B上形成的电压和/或电流加到一起，从而生产比单独电热元件1310A和1310B更大的总电压和/或电流。例如，具有p-型材料的电热元件1310A可以与具有n-型材料的电热元件1310B串联连接。电热元件1310A、1310B可以设置成与指定电热元件相邻的所有电热元件包括与指定电热元件材料不同类型的材料。电热元件1310A和1310B阵列的输出可以并联连接以提供在特殊应用中需要的能量。
连接线1350可以使电热元件1310A和1310B与相邻电热元件1310A和1310B连接。虽然每个电热元件1310A、1310B可以提供少量能量，但是连接成矩阵的电热元件1310A、1310B可以提供特殊应用所需的更高能量。当热量施加在电热能量收集器1300的一侧时，在具有p-型材料的电热元件1310A中的电子可以从电热元件1310A的冷侧流动到热侧，而在具有n-型材料的电热元件1310B中的电子可以从电热元件1310B的热侧流动到冷侧。因此，如果电热元件1310A与电热元件1310B串联连接以形成电热耦合，那么电子可以经由连接线1350从p-型材料的冷侧流动到p-型材料的热侧，进入n-型材料的热侧，再进入n-型材料的冷侧。在各个电热元件1310A、1310B中产生的能量可以合并并且提供在电热能量收集器1300的输出端。
电热元件1310A、1310B的形可以使电热元件1310A、1310B的与介电层1320相邻的表面最大。电热元件1310A、1310B可以呈矩形形状，其中具有较长端的侧面与介电层1320相邻，而较短侧面与连接线1350相邻。在其他实施例中，电热元件1310A、1310B的至少一个侧面是正方形。
电热元件1310A、1310B的材料可以选择成电热元件1310A、1310B的热阻抗小于介电层1320的热阻抗，使得介电层不会产生太多的热分流。高热阻抗的电热元件1310A、1310B可以保证在电热元件1310A、1310B的热侧与冷侧指间保持充分的温度差。可以通过以下方式增加电热元件1310A、1310B的热阻抗：控制电热元件1310A、1310B的掺杂程度，或者引入散射元件以增加在电热元件1310A、1310B中的光子散射而不明显影响其电气传导。与电热元件1310A、1310B的一端相比，可以在电热元件1310A、1310B的另一端增加或减少掺杂程度的浓度或散射元件。
例如，电热元件1310A可以是p-型BixSb(2-x)Te3、p-型Bi2Te3/Sb2Te3超晶格或p-型Si/Si(1-x)Gex超晶格，而电热元件110B可以是n-型Bi2Te(3-x)Sex、n-型Bi2T3/Bi2Te(3-x)Sex超晶格或n-型e Si/Si(1-x)Gex超晶格。介电层1320可以是聚酰亚胺，因为其具有低热传导性并且有助于处理电热元件。热接触层1340可以是任何电绝缘但是导热的层。在一个实施例中，热接触层1340可以由多层制成。例如，热接触层1340可以包括薄的非导电层(例如，氧化物或氮化物)以及位于顶部的一个或多个较厚金属层以增强热传导。热接触层1340可以在与电气互连层1350的接口处提供绝缘以防止电气互连层1350短路。基板1330可以是具有足够厚度的任何半导体基板以提升低侧的热传导。虽然示出基板1330构造为冷侧并且顶部热接触层1340构造为热侧，但是该装置也可以以基板1330作为热侧并且顶部热接触层1340作为冷侧运行。
在示例性实施例中，介电层1320可以包括一个或多个高介电分解材料，例如聚酰亚胺、氧化硅或任何其他适当类型的介电质。介电层1320可以与电热元件1310A、1310B电绝缘。介电层1320可以抑制远离电热元件1310A、1310B的热传导。介电层1320可以具有比基板1330和/或电热元件1310A、1310B更低的导热率。介电层1320可以在四个侧面包围电热元件1310A、1310B，以使电热元件1310A、1310B热分流，允许在电热元件1310A、1310B上产生热梯度并且允许最多的热量传播至电热能量收集器1300的侧面。比基板1330和/或热接触层1340的热阻抗更高的电热元件1310A、1310B的热阻抗可以允许可获得热梯度在电热元件上而不是在热接触层或基板1330上下降。因此，可以在电热元件1310A、1310B的热侧与冷侧之间保持温差(在一些实施例中可以为最大温差)。
在电热元件1310A、1310B与连接线1350之间可以包括势垒金属1360以使电热元件1310A、1310B的半导体材料与金属连接线1350绝缘，同时保持电热元件1310A、1310B与连接线1350之间的电连接。可以包括势垒金属1360以防止连接线1350扩散到电热元件1310A、1310B的半导体材料中。
当热量施加在电热能量收集器1300的一侧(例如，热侧)时，电子可以在具有p-型材料的电热元件1310A中沿着一个方向流动，而在具有n-型材料的电热元件1310B中沿着另一个方向流动。因为电热元件1310A、1310B串联连接，在每一个电热元件1310A、1310B中产生的能量可以组合以在电热能量收集器1300的输出提供组合的能量。进来的热量可以被热接触层1340分散到电热元件1310A、1310B的热侧，同时基板1330可以使电热元件1310A、1310B的冷侧冷却。
图13B示出根据另一个非限制性实施例的、可以用作图12的电热能量收集器1211的电热能量收集器1301的示例性构造。电热能量收集器1301可以包括位于基板层1373上并且位于基板层1373上的介电层1371中的多个电热元件1370A、1370B。电热元件1370A、1370B可以排列成阵列，同时在相邻电热元件1370A和1370B(例如，在n-型和p-型之间)交替材料类型。多个电热元件1370A、1370B可以经由连接线1372串联连接。在电热元件1370A、1370B上可以提供热接触层1374以发散施加在电热能量收集器1201上的热量。
如图13B所示，电热元件1370A和1370B可以是倾斜的。另外，电热元件1370A和1370B在电热元件1370A和1370B与连接线1372连接的一端或两端可以包括连接部1370C。介电层1371可以使电热元件1370A和1370B包括多种形状和方向。电热元件1370A和1370B的方向和/或形状可以基于电热能量收集器1301的可用空间和/或基于系统的性能要求而改变。电热元件1370A、1370B的各个形状可以使电热能量收集器1301具有半竖直或准横向结构。与图13A所示的竖直电热元件相比，电热元件1370A、1370B的这些形状可以使电热能量收集器1301的厚度减小。使用倾斜构造提供的更长长度可以提供增强的装置热阻抗。在1370A和1370B为超晶格的情况下，通过沿着倾斜表面布置超晶格1370A和1370B，可以利用沿着倾斜长度或沿着装置的量子阱的热和电气传导改进装置性能。改变电热元件1370A和1370B的方向会减小可以空间(例如，垂直空间)，同时增加并且在一些实施例中最大化与介电层1371相邻的电热元件1370A和1370B的表面面积。
当温度梯度是预期的时，电热能量收集器1211(无论是分体现为图13A和图13B的形式还是一些其他形式)是有益的以供本文所述的图10A-10D的系统使用。例如，在工业应用环境(其中，系统1000A将会设置在以高温操作并具有外部冷却气流的机器上)中，电热能量收集器可以提供足以操作系统1000A的功率。作为选择，当系统1000A形成可穿戴设备时，无论用于健身还是医疗应用，设备的一侧可以压在使用者的皮肤或衣服上，而另一侧可以暴露于空气。在这种构造中，如结合图13A-13B所述，电热能量收集器1111可以用于收集能量。
如图12所示，能量收集器1201可以包括一个或多个震动收集器1212。震动收集器可以构造成至少部分地收集机械振动体相关的能量。在一些实施例中，震动收集器可以采用磁体和线圈来以电磁方式收集震动能量。图14示出根据一些非限制性实施例的示例性电磁震动收集器。电磁能量收集器可以包括具有磁芯的线圈1411、1421和磁体1431、1441。磁体可以设置在MEMS弹簧1451、1455、1461、1465上。在一些实施例中，线圈1411、1421可以安装在静态框架1470(在图14中由边界框表示)上。磁体1431、1441可以经由MEMS弹簧1451、1465与框架1470耦合。这种构造可以允许震动能量致使磁体1431、1441沿着相对于线圈1411、1421的预定方向以预定动作范围移动。磁体1431、1441与线圈1411、1421之间的相对运动可以使通过线圈芯体的磁通量的量级和方向变化，从而可以引起通过线圈的电流变化。
可以使用微电子半导体技术制造图14的能量收集器。在一些实施例中，可以使用微制造工艺在第一集成电路基板上制造磁体1431、1441和MEMS弹簧1451、1465，并且使用微制造工艺在第二集成电路上制造线圈1411、1421。第一集成电路基板还可以限定静态框架1470。可以通过将线圈1411、1421以永久的方式安装在框架1470中来实现收集器组装件。在其他实施例中，可以在一个集成电路基板中制造线圈1411、1421、磁体1431、1441和MEMS弹簧1451、1465。
当震动是预期的时，震动收集器1212(无论是否体现为图14的形式还是一些其他形式)可以是有益的以供本文所述的图10A-10D的系统使用。例如，在构造成使用本文所述类型的加速度计检测桥梁、建筑物、立交桥、高压线铁塔或塔所经受震动的系统的环境中，震动收集器1212可以用于收集震动能量。作为选择，在检测门或窗相关加速度的系统(该系统安装在门或窗上)的环境中，震动收集器1212可以用于收集震动能量。作为选择，在检测自行车踏板、自行车车轮、计步器、头盔、球拍、球杆、球棒或球相关加速度的系统(该系统安装在这些配件上)的环境中，震动收集器1212可以用于收集震动能量。
如图12所示，能量收集器1201可以包括一个或多个电气过应力收集器1213。电气过应力收集器1213可以构造成收集来自电气过应力事件的能量。过应力事件包括超过电子装置规定界限的电流和/或电压。例如，电子设备可以经受瞬态信号事件或者迅速改变电压或提高功率的短时电信号。瞬态事件可以包括，例如，由从物体或人向电子设备的突然放电或者来自电子设备电源的电压/电流尖峰引起的静电放电(ESD)事件。
在一些实施例中，电气过应力事件释放的能量抗议被收集并且可以电荷的形式储存在一个或多个能够储存元件(例如，电容器或电池)中。在从例如ESD事件收集的临时/瞬态电荷足以进行任务的情况下，电子设备可以使用收集的电荷进行任务。当收集能量时，在储存元件的电容器上电压可以被监控。作为对检测出充足电荷储存在电容器中的响应，可以提供中断来通知系统足够的能量可以用来从电子系统发送信号。
在图15A中示出根据一些非限制性实施例的示例性电气过应力收集器。电气过应力收集器1570可以构造成在储存元件组中储存静电放电事件相关的电荷。在一些情况下，可以发生多个静电放电事件。这些事件可以具有不同的量级。具有储存元件组可以使不同事件相关的电荷被有效储存。多个开关1574a、1574b、1574c和1574d中的每一个可以分别与电容器1572a、1572b、1572c和1572d串联设置。在一些实施例中，开关可以选择性地打开以使相应的电容器与二极管1564连接。在引脚1531处的静电放电事件相关的能量可以被二极管1546引向电容器1572a、1572b、1572c和1572d之一。电压监控电路1576可以监控由电容器储存的电荷。电压监控电路可以确定其中储存电荷量最少的电容器和/或电荷在预定阈值之下的电容器。开关控制电路1578可以打开所选的开关以使二极管与电荷量最少的电容器连接或者与电荷量小于预定阈值的电容器连接。ESD保护装置1561可以向超过系统能力的静电放电事件提供钳位。在一些实施例中，ESD保护装置1562与二极管1564并联布置，从而使其免于ESD事件。在一些实施例中，ESD保护装置1568与电容器组并联布置，从而使其免于ESD事件。
在图15B中示出根据一些实施例的ESD保护装置的非限制性实例。电气过应力保护装置1560可以用作ESD保护装置1561、1562和/或1568。电气过应力保护装置1560可以包括与二极管1566以反并联结构布置的二极管1565，使得二极管1565的阴极与二极管1566的阳极连接，或者反之亦然。其他结构也是可以的。例如，在其他实施例中，静电放电保护装置可以包括串联布置的两个二极管，使得第一个二极管的阳极与第二个二极管的阳极耦合或者第一个二极管的阴极与第二个二极管的阴极耦合。在另一个实施例中，电气过应力保护装置可以包括至少一个晶体管(例如，双极型晶体管)作为阻断部件。
如图12所示，能量收集器1201可以包括一个或多个光电收集器1214。光电收集器1214可以构造成吸收光(例如，太阳光)并且将光转换为电。光电收集器1214可以以任何适当方式收集光电能量。例如，光电收集器1214可以包括一个或多个晶体光电池、一个或多个薄膜光电池、一个或多个非晶硅光电池或任何其他适当类型的光电池。
在一些实施例中，光电收集器1214可以与本文所述类型的一个或多个MEMS角加速度计共集成在同一晶粒上。例如，收集器和加速度计可以并排布置在集成电路的同一层上。在一些实施例中，光电收集器和加速度计可以竖直地集成。图16示出了根据一些非限制性实施例的包括一个或多个角加速度计和一个或多个光电收集器的集成系统。
集成系统1600可以包括使用精密制造加工工艺或其他适当方法形成的多个堆叠层。集成系统1600可以包括收集器层1601、能量储存层1602、MEMS层1603和调节/处理电路层1604。这些层可以以任何适当方法排序。集成系统1600还可以包括互连部件1621、1622和1623以及一个或多个互连部件1610。收集器层1601可以包括一个或多个光电收集器1214和/或其他类型能量收集器(例如，结合图13A-13B和14描述的收集器)。能量储存层1602可以包括一个或多个能量储存元件(例如，电容器和/或超级电容器。下面进一步描述超级电容器。能量储存元件可以构造成储存由收集器层1601的收集器收集的能量(例如，呈电荷形式)。
MEMS层1603可以包括结合图1-3、5A-5C、6、7A、7B、8和9所述类型的一个或多个角加速度计或其任何适当组合。在一些实施例中，MEMS层1603可以包括一个或多个线性加速度计(例如，一轴、二轴和/或三轴线性加速度计)。调节/处理电路层1604可以包括用于处理和调节信号和/或控制集成系统1600的其他部件的电路。堆栈可以通过金属互连部件(例如，硅穿孔(TSV))相互连接。然而，可以使用其他类型的互连部件。例如，互连部件1621可以构造成使信号从调节/处理电路层1604路由至MEMS层1603，和/或反之亦然。互连部件1622可以构造成使信号从调节/处理电路层1604路由至能量储存层1602或MEMS层1603，和/或反之亦然。互连部件1623可以构造成使信号从集成系统1600的任何层路由至任何其他层。互连部件1610可以包括：金属支柱、凸部、球、插脚或构造成与电路板连接的任何其他适当类型的互连部件。
当暴露于光(例如，太阳光)是预期的时，光电收集器1214(无论是否体现为图16的形式还是一些其他形式)可以是有益的以供本文所述的图10A-10D的系统使用。例如，在构造成使用本文所述类型的加速度计检测桥梁、建筑物、立交桥、高压线铁塔或塔所经受震动的系统的环境中，光电收集器1214可以被使用并且可以设置成至少在白天的一段时间内捕获光(例如，太阳光)。作为选择，在医疗或健身应用的可穿戴设备的环境中，本文所述类型的检测加速度的系统可以包括光电收集器1214。该系统在某种程度上设置成至少临时捕获光。
如图12所示，能量收集器1201可以包括一个或多个射频(RF)收集器1215。射频(RF)收集器1215可以包括构造成捕获电磁能量的一个或多个天线(例如，微带无线、环形无线或隙缝天线)。在一些实施例中，RF收集器1215可以布置在基板(例如，柔性基板)上。RF收集器1215可以构造成从电磁辐射收集能量，在一些实施例中电磁辐射的频率在1GHz至10GHz之间，在一些实施例中在2GHz至3GHz之间，或者在任何其他适当频率范围之间。在一些实施例中，RF收集器1215可以包括RF发射器和RF接收器。RF发射器可以构造成发出电磁辐射，而RF接收器可以构造成收集RF发射器所发出的至少一部分电磁辐射。
如图12所示，能量收集器1201可以包括一个或多个动能收集器1216。动能收集器可以构造成捕获由指向随机方向的低频动作产生的动能。例如，动能收集器可以构造成捕获物体或人(例如，人的慢跑)的动作相关的动能。在一些实施例中，动能收集器1216可以包括形成具有内壁的内腔的壳体和容纳在内腔中的活动元件。活动元件可以构造成自由移动。在内腔中，动能收集器可以包括沿着内壁设置的多个压电电荷转换元件。当活动元件在内腔中移动时，多个压电电荷转换元件可以并排设置以接触活动元件。在一些实施例中，活动元件可以构造成同时接触多个并排压电电荷转换元件中的至少两个。在使用时，活动元件可以在内腔中自由移动以响应整个壳体的运动(例如，由于重力或惯性)。
供电单元1050可以包括可充电电源1203。可充电电源可以构造成通过外部提供的功率和/或一个或多个收集器提供的能量充电。可充电电源的非限制性实例为覆盖晶片的可充电电源。覆盖晶片的可充电电源可以包括装置晶片、布置在装置晶片的表面上的可充电电源和封装可充电电源的覆盖晶片。可充电电源可以包括阳极部件、阴极部件和电解质部件。图17示出根据一些实施例的、可以用作可充电电源1203的示例性覆盖晶片的可充电电源的横截面图。覆盖晶片的电源可以包括装置晶片1702、可充电电源1703和覆盖晶片1704。装置晶片1702可以具有有效表面和后表面。可充电电源1703可以包括阴极集电器1706、阴极部件1708、电解质部件1714、阳极部件1716和阳极集电器1720。
电解质部件1714可以为有机材料或离子液体材料。当电解质部件由有机材料(例如，碳酸丙烯酯、碳酸亚乙酯或碳酸二甲酯)形成时，阴极集电器1706、阴极部件1708、阳极部件1716和阳极集电器1720可以由具有良好导电性的金属(例如，铝、铜或金)形成。当电解质部件1714由离子液体材料(例如，1-丁基-3-甲基咪唑、三辛基甲基双(三氟甲磺酰基)酰亚胺化铵或三乙基双(三氟甲磺酰基)酰亚胺代硫形成时，阴极集电器1706、阴极部件1708、阳极部件1716和阳极集电器1720可以由多孔碳、石墨烯或碳纳米管形成。
为了防止电解质部件1714降解、爆炸或在覆盖晶片的可充电电源的制造过程中损坏，覆盖晶片1704可以连接在装置晶片1702上，从而以低温(例如，20℃以下)封装可充电电源1703。如图17所示，覆盖晶片1704可以用粘合材料1718(可以由铋锡合金制成)连接在可充电电源1703上。
此外，在真空腔或含有惰性气体(例如，氮气)的腔中将覆盖晶片1704连接在可充电电源1703上可以形成真空或惰性气体腔1722。真空或惰性气体腔1722可以进一步降低可充电电源1703爆炸的风险。用覆盖晶片封装可充电电源还可以产生水分屏障，这样可以防止外部水分进入腔1722，从而防止可充电电源1703的不同部件腐蚀。如图17所示，阴极集电器1706和阳极集电器1720可以延伸到覆盖晶片1704外部，从而能够与其他装置(在图17中未示出)连接以为可充电电源1703充电和放电。
再次参考图12，供电单元1050可以包括用于储存能量收集部件所收集的能量的能量储存系统1202。能量储存部件可以包括一个或多个超级电容器。相比于需要连续供电的情形，超级电容器所提供的益处在于允许快速配置能量以根据需要对系统1000A供电。例如，如果系统1000A周期性从休眠模式或其他节电模式唤醒，那么超级电容器可以有助于提高所需的突发功率。在100Hz测量时，超级电容器所呈现的电容在一些实施例中可以大于10mF，在一些实施例中可以大于100mF，在一些实施例中可以大于1F，在一些实施例中可以大于10F，或者在任何其他适当范围内。
示例性超级电容器可以包括基板，其中在电解质材料的每一侧均具有一对电极。电解质材料可以构造成在其中储存电荷。每一个电极可以与相应的集电器连接，集电器可以由导电材料(例如，金)或高度掺杂半导体(例如，多晶硅)形成。电极可以由超级电容器技术中已知的常规材料(例如，多孔固体材料)形成。例如，电极可以由石墨烯形成，石墨烯是已知的具有弯曲内外表面的多孔材料。电解质材料可以由多种材料中的任何材料形成。例如，电解质材料可以由水盐(例如，氯化钠)或胶体(例如，浸透在盐中的聚乙烯醇聚合物)形成。一些实施例可以使用在室温下离子处于液态的离子液体。
如图18所示，本文所述类型的超级电容器可以与一个或多个电子部件集成在同一晶粒上。例如，超级电容器可以与MEMS结构1830和/或电路1832整合。超级电容器可以包括电极1814和布置在电极之间的电解质材料1816。MEMS结构1830可以包括至少一个本文所述类型的角加速度计和/或至少一个线性加速度计。电路1832可以包括ASIC 1010、I/O接口1012、传感器1014、存储器1016、ADC 1008、读出电路1004或器任何适当组合。在一些实施例中，MEMS结构1830和/或电路1832可以布置在晶粒1812上并且可以被超级电容器10包围。在其他实施例中，超级电容器可以布置在晶粒1812的相对于MEMS结构1830的相反侧。
图19示出根据另一个实施例的超级电容器1910。超级电容器1910可以包括结合在一起以形成内腔1916的一对多层基板1912。内腔1916可以包括一对堆叠电极1918和电解质材料1920。为了防止电极1918之间电接触，腔1916可以包括构造成使两个电极1918物理分开的隔离件1914。隔离件1914可以基本上防止电极1918电接触。隔离件1914可以由在微加工中通常使用的材料(例如，氮气、聚对二甲苯或氧气)形成。这样，隔离件材料一般不能渗透电解质材料1920的离子。
孔1922可以构造成允许电解质材料1920中的离子穿过。例如，孔1922可以为1-5微米宽或者甚至小到2纳米。因此，电解质材料1920中的离子可以自由穿过隔离件1914中的孔1922以优化超级电容器1910的储存能量。可以使用其他材料来形成电极1918，例如活性碳、碳气凝胶或碳纳米管。电解质1920可以由多种其他相应材料中任何材料形成。例如，电解质1920可以由水盐(例如，氯化钠)或胶体(例如，浸透在盐中的聚乙烯醇聚合物)形成。一些实施例可以使用在室温下离子处于液态的离子液体。电极1918可以由现有技术中已知的常规材料(例如，多孔固体材料)形成。例如，电极1918可以由石墨烯形成，石墨烯是已知的具有弯曲内外表面的多孔材料。为了接触电极，可以使用集电器1926。在一些实施例中，可以使用插头1924来将电解质气密性密封在腔1916中。
在一些实施例中，超级电容器可以构造成与电池共享电极。根据设计，共用电极可以形成共用阳极或共用阴极。图20A示出根据一些实施例的具有共享一个电极的超级电容器和电池的集成装置。集成电路2010可以包括基板2014(例如，多层基板)和形成内腔2018的支撑帽2016。内腔2018可以包括多个电极2022A-2022C和电解质材料2024。内腔2018可以具有内部电路2020，内部电路可以包括共同形成在集成电路上的多种不同器件中的任何器件，例如系统1000A、1000B、1000C或1000D的一部分或全部部件。电极2022A可以构造成起到超级电容器的第一电极的作用，而电极2022B可以构造成起到电池的第一电极的作用。电极2022C可以构造成起到电池的第二电极和超级电容器的第二电极的作用。在一些实施例中，电极2022C可以位于电池电极2022B与超级电容器电极2022A之间。
为了提高传导性并且提供对电极2022A-2022C的外部接触，可以提供集电器层2030。每一个集电器层2030均可以与电极2022A-2022C之一电接触。另外，集电器层2030可以与集成电路2010外部的导电触点2031电气通信。在一些实施例中，通过使集电器层2030延伸到内腔2018外部而获得导电触点2031。集电器层2030可以由高导电性的金属(例如，金)或者高度掺杂的半导体(例如，多晶硅)形成。然而，可以使用任何其他适当导电材料。在一些实施例中，可以通过由附图标记2030A示意性表示的连接线使电池电极2022B和超级电容器电极2022A保持在相同的电位。在一些实施例中，超级电容器电极2022A可以由石墨烯形成，石墨烯是已知的具有弯曲内外表面的多孔材料。在一些实施例中，超级电容器电极2022B可以由石墨或锂形成。在一些实施例中，超级电容器电极2022C可以由钴酸锂(LiCoO2)形成。电解质2024可以由水盐(例如，氯化钠)或胶体(例如，浸透在盐中的聚乙烯醇聚合物)形成。额外的实例包括四氟硼酸锂(LiBF4)或六氟磷酸锂(LiPF6)加上聚毗咯。一些实施例可以使用在室温下离子处于液态的离子液体。
图20B是根据一些实施例的包括电池2028和超级电容器2026的电源电路2037的视图。在一些实施例中，如结合图20A所述，超级电容器2026和电池2028可以共享电极。电源电路2037可以包括端子2032，该端子可以用作输出端口。电源电路2037可以包括一个或多个开关2034和控制器2036。控制器2036可以构造成利用开关2034使电池2028和超级电容器2026与端子2032连接/断开。
在一些实施例中，系统1000A可以布置在主控系统的一部分或全部部件的基板或板中。在一些实施例中，该系统可以布置在一个或多个印刷电路板(PCB)中。安装在基板或板上的部件可以通过导电路径连接。在一些实施例中，系统可以布置在一个以上的基板或板中并且可以提供基板或板之间的互连部件。在一些实施例中，系统1000A可以布置在柔性基板上。基板可以是能够弯曲或折叠成各种几何形状的柔性基板。基板可以包括许多内部导电轨迹，该内部导电轨迹提供安装在基板上的多个器件晶粒之间电气通信和封装与外部系统基板(例如，系统母板)之间电气通信。将多个器件晶粒安装在柔性基板上可以提供封装内的所有部件之间和之中的电气通信。封装壳体可以包括具有彼此成角度的至少两个壁的载体以提供封装结构。然而，在其他方式中，载体可以是仅具有一个壁的刚性元件。为了提供高度装置集成，基板可以一次或多次弯曲或折叠，多个集成装置晶粒(例如，传感器和/或处理器晶粒)可以安装在基板的两侧。在一些方式中，例如，在基板中形成的弯曲可以布置在由至少两个壁限定的壳体中。通过弯曲或折叠基板，封装可以实现高度三维(3D)集成。本文所述载体可以具有任何适当数量的壁。例如，在多个实施例中载体可以具有至少两个壁，在一些实施例中具有至少三个壁。载体一般构造成为基板和安装在基板上的装置晶粒提供结构支撑。在一些实施例中，壁之间的相互角度可以成80°至100°角，例如成90°角。在一些实施例中，壁之间的相互角度可以成170°至190°角，例如成180°角。然而，可以使用任何其他适当角度。
图21A是根据一个实施例的组装的紧凑型装置套件2101的三维透视图，示出与载体2105耦合的柔性基板2103。图21B是图21A的组装的紧凑型装置套件的侧面图。图21A-21B所示的实施例包括载体2105，该载体具有彼此成角度(例如，成90°角)的壁2117a和2117b以为封装2101提供结构支撑。然而，本申请不限于此方面，并且壁之间的角度在一些实施例中可以在10°至190°之间，在一些实施例中在45°至135°之间，在一些实施例中在75°至115°之间，在一些实施例中在80°至100°之间，或者在任何其他适当范围之间。载体2105可以由为封装提供结构支撑的任何适当材料制成。例如，在一些实施例中，载体2105可以由塑料材料形成。在其他实施例中，载体2105可以由金属(例如，铝)形成。
除了与基板2103的限定了封装2101外部表面的部分集成的多种接口特征以外，图21A-21B的封装2101可以包括与基板2103耦合的多个装置晶粒。例如，封装可以包括用作图10A的I/O接口1006的通信晶粒2104、用作角加速度计1002的MEMS晶粒2108、用作读出电路1004的信号处理晶粒2106、用作存储单元的存储器晶粒2112、至少部分用作图12的供电单元1050的电源晶粒2110、例如用作马达驱动器的驱动器晶粒2114和用作图11的天线1102的天线2109。天线2109可以布置在段落2115b上，并且可以包括微带无线、蛇形天线或任何其他适当类型的天线。基板2103可以是柔性基板，该柔性基板能够弯曲或折叠成各种几何形状并且包括多个内部导电轨迹、接合焊盘等。整个基板2103可以是柔性的，或者柔性可以局限在弯折区域2113a-2113d。本文所述类型的柔性基板可以由柔性塑料(例如，聚酰亚胺或PEEK)制成，并且可以包括类似于在常规PCB基板技术中使用的集成的接合焊盘、轨迹和引线。
段落2115a可以与载体2105的壁2117b耦合，段落2115b可以与载体2105的壁2117a耦合。如图所示，段落2115a和2115b可以限定封装2101的至少部分外部表面，弯折2113a可以形成在段落2115a与2115b之间。例如，弯折2113a形成的角度可以在大约80°至大约100°之间，例如，大约90°。接口特征可以与外部段落2115a和2115b整合并且可以与封装2101的外部表面通信。例如，在段落2115a中可以形成电容式触摸传感器2107，而在段落2115b中可以形成天线2109，或者反之亦然。另外，电触点2111可以限定在段落2115e上并且可以构造成提供封装2101与外部设备(例如，较大电子设备(例如，助听器)的系统母板)之间的电气通信。
弯折2113a可以沿着载体2105的外表面形成。在两个壁2117a和2117b形成的壳体中，基板2103可以包括多个弯折。例如，弯折2113b可以限定在段落2115b与2115c之间。弯折2113c可以形成在基板2103的段落2115c与2115d之间。弯折2113d可以限定在段落2115d与2115e之间。所示弯折2113b-2113d所形成的角度可以在170°至190°之间，例如，大约180°。如图所示，弯折2113c可以沿着与形成弯折2113d和2113e的方向相反的方向弯折。
在图21A-21B中，通信晶粒2104、MEMS晶粒2108和信号处理晶粒2106可以安装在基板2103的弯折2113b与弯折2113c之间的同一段落1215c上。例如，通信晶粒2104可以安装在基板2103的第二侧2118，而MEMS晶粒2108和信号处理晶粒2106可以安装在例如与基板2103的第二侧2118所安装晶粒相反的基板2103的第一侧2116。
此外，存储器晶粒2112、电源晶粒2110和驱动器晶粒2114可以安装在基板2103的弯折2113c与弯折2113d之间的同一段落2115d上。如图21A-21B所示，电源晶粒2110和存储器晶粒2112可以安装在例如基板2103的第一侧2116，而驱动器晶粒2114可以安装在基板2103的第二侧2118。装置晶粒的所示部分仅出于示例的目的，因为装置晶粒可以替换性地布置在其他适当位置。可以使用任何适当导电粘合剂将晶粒安装并且电耦合在基板2103的第一侧和第二侧。例如，在一些方式中，可以使用焊料、异向导电胶膜(ACF)或非导电膏(NCP)技术来将装置晶粒电耦合在基板2103上。
再次参考图10A，系统1000A可以布置在多种应用中以检测角加速度，这些应用包括体育、医疗、军事和工业应用等。现在描述一些非限制性实例。系统1000A可以是可穿戴传感器，布置成监控体育相关身体活动和表现、病人健康、军事个体活动或使用者关注的其他应用。
作为一个实例，系统1000A可以布置在自行车上以监控与自行车任何部件相关(例如，车辆或踏板和/或踩踏功率)的角加速度。在这些情形下，系统1000A可以是设置在自行车车轮、踏板或任何其他适当旋转部件上的无线传感器。作为选择或者除此以外，系统1000A可以构造成连接、紧固或夹持在骑自行车人的腿或脚上。无线传感器可以构造成检测车轮和/或踏板的角加速度，从而指示每分钟转数(rpm)和/或踩踏功率。I/O接口1006可以是上述I/O无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机、智能电话、平板电脑、智能手表、智能眼镜或任何其他适当设备)发送检测到的角加速度。读出电路1004可以构造成将角加速度转换成踩踏功率和/或每分钟转数。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000A可以布置成监控具有转子的机器的状况。在这些情况下，系统1000A可以是设置在转子上的用于检测每分钟转数(rpm)的无线传感器，从而给出根据本说明书的转子是否旋转的指示。作为无线传感器，I/O接口1006可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机)发送检测到的角加速度。读出电路1004可以构造成将角加速度转换为每分钟转数。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图14描述的电磁震动收集器和/或结合图15A描述的电气过应力收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000A可以布置在超声波探针上以相对于被探测目标监控探针的角度。目标可以是病人或病人的特殊部位(例如，关注的器官)。这种构造可以用于改进通过超声波探针捕获的超声波图像的质量。系统1000A可以用于测量超声波探针经受的角加速度。在这些情形下，系统1000C可以是连接在探针上的有线或无线传感器。传感器可以构造成通过角加速度计1002检测角加速度。I/O接口1006可以是上述有线或无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机)发送检测到的角加速度。读出电路1004可以构造成将角加速度转换为角度。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图13A或图13B描述的电热能量收集器和/或结合图14描述的电磁震动收集器和/或结合图15A描述的电气过应力收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
虽然图10A描述了采用本文所示类型的角加速度计的系统的一个实例，但是替换形式是可以的。一些系统可以构造成检测角加速度以及线性加速度，从而提供额外的运动程度。按照这种方式，可以感测多达六个自由度，这样可以用于多种应用，下面描述其中的一些应用。图10B示出了这种系统的实例。
如图所示，图10B是示出根据本申请非限制性实施例的用于检测角加速度的系统1000B的结构图，该系统包括本文所述类型的一个或多个角加速度计和一个或多个线性加速度计。也就是说，系统1000B与增加了线性加速度计1007的系统1000A相同。线性加速度计1007可以构造成沿着一个轴、两个轴或三个轴感测线性加速度并且可以是用于这种用途的任何适当类型的加速度计。在一些实施例中，线性加速度计1007可以是MEMS传感器。线性加速度计1007可以布置在与角加速度计1002相同的晶粒上或者布置在分开的晶粒上。线性加速度计1007可以与读出电路1004连接，读出电路可以构造成作为检测线性加速度的响应而产生一个或多个与检测到的加速度成正比的信号。系统1000B的一部分或全部部件可以布置在基板(例如，柔性基板)上。在一些实施例中，系统1000B的一部分或全部部件可以布置在根据图21A-21B所示方式的柔性基板上。
与图10A的系统1000A一样，图10B的系统1000B可以布置在与体育、医疗、军事和工业应用有关的各种应用中。例如，系统1000B可以用作用于测量2-6个自由度(多达三个角度和三个线性自由度)的惯性测量单元(IMU)。现在描述一些实例。
作为一个实例，系统1000B可以布置在计步器上以监控行进距离、步长、步数和/或足角。这种结构可以用于分析运动员(例如，跑步者)的运动或者分析受伤人员的步法。在这些情形中，系统1000B可以是布置或连接在人的脚或脚踝的无线传感器。例如，无线传感器可以紧固或夹持在鞋上。作为选择，系统1000B可以布置在带子上，再系在人的脚踝周围。无线传感器可以构造成用角加速度计1002检测角加速度并且用线性加速度计1007检测线性加速度，从而提供行进距离、步长、步数和/或足角速率的指示。作为无线传感器，I/O接口1006可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机、智能电话、平板电脑、智能手表、智能眼镜或任何其他适当设备)发送检测到的角加速度和线性加速度。读出电路1004可以构造成将角加速度和线性加速度转换成距离、步长或者可以从角加速度和线性加速度导出的其他关注性能量度。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图13A或图13B所述的电热能量收集器和/或结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，本文所述类型的一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000B可以用于检测是否存在角角速度和/或线性加速度。一些装置可以设计成在稳定状态下操作。这些装置中的一部分设计成不能承受超过某一等级的加速度。系统1000B可以布置在这些装置上以监控加速度，从而提供装置劣化的指示。这种应用的一个实例是关于滚珠轴承。一些滚珠轴承在响应加速度时会遭受劣化。系统1000B可以构造成通过角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度。I/O接口1006可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机)发送检测到的角加速度和线性加速度。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图13A或图13B所述的电热能量收集器和/或结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。系统1000B可以布置在被监控装置的任何适当部位上。
作为另一个实例，系统1000B可以用于检测桥梁、建筑物、立交桥、高压线铁塔或塔受到的震动。系统1000B可以布置在任何这种结构上以监控加速度，从而提供结构条件的指示。系统1000B可以构造成用角加速度计1002检测角加速度并且用线性加速度计1007检测线性加速度。I/O接口1006可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机)发送检测到的角加速度和线性加速度。基于加速度计提供的信息，可以进行结构条件的分析。基于这种分析，可以确定某些部件已经磨损和/或需要更换。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图13A或图13B所述的电热能量收集器和/或结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器和/或结合图16所述的光电收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。系统1000B可以布置在被监控结构的任何适当部位上。
作为另一个实例，系统1000B可以用于导管中。系统1000B可以布置在导管端部附近。当把导管插入主体或从主体取出导管时，角加速度计1002和线性加速度计1007可以检测角加速度和线性加速度。作为一个实例，该信息可以指示正在使用的力的量以及是否将要导致对病人的伤害。读出电路1004可以经由有线I/O接口1006提供从导管检测到的加速度。图22示出结合病人心脏2201使用的导管2210。导管2210可以包括装置2212，该装置可以包括系统1000B。在一些实施例中，装置2212可以布置在导管2210的一端。在一些实施例中，导管2210可以位于与心脏2201接触的位置并且可以构造成使用装置2212的角加速度计1002和/或线性加速度计1007来感测心脏运动和/或心率。在一些实施例中，导管2210可以插入到通向心脏2201的血管(例如，血管2202)中。虽然图22示出结合心脏使用的导管2210，但是可以使用导管2210感测任何其他适当器官的运动。
如图所示，图10C是示出根据本申请非限制性实施例的用于检测角加速度的系统1000C的结构图，该系统包括本文所述类型的一个或多个角加速度计和专用集成电路(ASIC)。也就是说，系统1000C与增加了模数转换器1008、时钟发生器1052和ASIC 1010的系统1000B相同。在一些实施例中，ADC 1008可以构造成将表示检测到的角加速度的信号转换为数字域。在一些实施例中，ADC 1008可以构造成将表示检测到的线性加速度的信号转换为数字域。ADC 1008可以包括用于模数转换的任何适当类型的电路，例如，快速ADC、逐次逼近ADC、斜坡交截ADC、集成ADC、delta-编码ADC或sigma-delta ADC。
在一些实施例中，ASIC 1010可以与ADC 1008连接并且可以接收表示检测到的线性加速度和/或角加速度的数字化信号。ASIC 1010可以包括一个或多个微处理器、微控制器、系统芯片现场可编程门阵列(FPGA)或任何其他适当类型的逻辑电路。ASIC 1010可以以任何适当方式处理检测到的信号。在一些实施例中，ASIC 1010可以与I/O接口1012连接，该接口可以具有与图10A的I/O接口1012相同的类型。ASIC 1010可以通过时钟发生器1052产生的时钟信号计时。ADC 1008可以通过时钟发生器1052产生的时钟信号计时。时钟发生器1052可以构造成输出周期性波形(例如，方波)。在一些实施例中，时钟发生器1052可以包括振荡器。I/O接口可以具有与图10A的I/O接口1006相同的类型并且可以与ASIC 1010连接。系统1000C的一部分或全部部件可以布置在基板(例如，柔性基板)上。在一些实施例中，系统1000C的一部分或全部部件可以布置在根据图21A-21B所示方式的柔性基板上。
与图10A的系统1000A相同，图10C的系统1000C可以布置在与体育、医疗、军事和工业应用有关的各种应用中。
作为一个实例，系统1000C可以布置在运动员的头盔(例如，橄榄球运动员的头盔)上以监控撞击。这种结构可以用于缝隙运动员受到的冲击。系统1000C可以用于测量运动员头部与其他运动员产生撞击相关的角加速度和/或线性加速度。传感器提供的信息可以用于评估大脑损伤的风险。系统1000C还可以布置在士兵头盔上以测量士兵头部相关的角加速度和/或线性加速度。按照这种方式，可以监控或模拟在战场上撞击所产生的冲击强度。在任何这些情形中，系统1000C可以是与头盔连接的无线传感器。例如，无线传感器可以布置在头盔的前侧、头盔的后侧或者连接在头盔的内和/或外表面上。作为选择或者除此以外，加速度计可以布置在头带上。加速度计还可以布置在口罩上。无线传感器可以构造成用角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度，从而提供冲击强度的指示。I/O接口1012可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机、智能电话或平板电脑)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。ASIC 1010可以构造成基于检测到的角加速度和/或线性加速度计算冲击强度。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图13A或图13B所述的电热能量收集器和/或结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器和/或结合图16所述的光电收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。在一些实施例中，用于监控冲击的系统可以包括输出装置(例如，LED或发声器)，以便在经受到强度超出阈值的冲击时警告运动员或士兵。在这种结构中，ASIC 1010还进一步构造成将冲击强度与预定阈值比较并且控制输出装置。
作为另一个实例，系统1000C可以布置在球拍、球棒、棍或高尔夫球杆上。这种结构可以用于分析运动员(例如，网球运动员、棒球运动员、高尔夫球运动员、曲棍球运动员或任何其他类型运动员)进行摆动。系统1000C可以用于测量角加速度和/或线性加速度。该系统提供的信息可以用于提高特殊运动员的能力，例如以特殊方式击球的能力。在这些情形中，系统1000C可以是与球拍、球棒或高尔夫球杆连接的无线传感器。例如，无线传感器可以布置在球拍的梁、弦、接头、手柄或缓冲保护器上，或者高尔夫球杆手柄或杆头上。作为选择或者除此以外，加速度计可以布置在腕带上。无线传感器可以构造成用角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度，从而提高冲击强度和/或冲击角度的指示。I/O接口1012可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机、智能电话、平板电脑)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。ASIC1010可以构造成将角加速度和/或线性加速度转换为摆动角度和/或摆动强度。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图13A或图13B所述的电热能量收集器和/或结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器和/或结合图16所述的光电收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
图23示出了与网球拍结合使用的系统1000C的非限制性实例。在所示实例中，运动员2301正在打网球并且手握球拍2302。球拍2302可以包括连接在上面的多个装置(例如，装置2304和2306)。这些装置均可以包括系统1000C，并且可以构造成检测角加速度和/或线性加速度。例如，按照在球拍2302手柄上的装置2304可以构造成感测球拍把手相关的加速度。安装在球拍头部的装置2306可以构造成感测与球拍头部的任何适当部位(例如，球拍顶端)相关的加速度。在一些实施例中，装置2304和2306可以嵌入在球拍框架或主体中。在一些实施例中，与球拍2302经受加速度相关的数据可以指示运动员打网球的能力。例如，可以获得与正手动作或反手动作有关的信息。运动员2301可以穿戴一个或多个可穿戴设备(例如，腕带或腿带)。这些可穿戴设备均可以配备有系统1000C，并且可以构造成感测角加速度和/或线性加速度。例如，位于腕带上的装置2330可以构造成提供与运动员手臂运动有关的信息。位于腿带上的装置2332可以构造成提供与运动员腿部运动有关的信息。
作为另一个实例，系统1000C可以构造成布置在球体上或球体中的无线传感器以监控球的速度、旋转、轨迹或者可以从角加速度和线性加速度导出的其他关注性能量度。例如，系统1000C可以形成布置在一部分橡胶球壳中的柔性小薄片部分。柔性小薄片可以具有例如前面结合图21A和21B所述柔性基板的类型。在图23的非限制性实例中，无线传感器2321可以布置在网球2320上。无线传感器可以构造成用角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度，从而提供球速和/或球旋转的指示。I/O接口1012可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机、智能电话、平板电脑)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。ASIC 1010可以构造成例如通过积分例程将角加速度和/或线性加速度转换为球的轨迹。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，本文所述类型的一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000C可以布置在吸入器上。这种结构可以用于分析吸入器相对于人嘴和/或剂量的角度。例如，具有哮喘的人可以使用这种吸入器。系统1000C可以用于测量与吸入器相关的角加速度和/或线性加速度。该系统提供的信息可以用于查找最佳吸气角度和/或监控吸入的氧气量。系统1000C可以是连接在吸入器上的无线传感器。例如，无线传感器可以布置在吸入器的前侧或后侧。无线传感器可以构造成用角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度，从而提供吸入器和/或剂量的角度的指示。I/O接口1012可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机、智能电话、平板电脑)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。ASIC1010可以构造成将角加速度和/或线性加速度转换为吸入器角度和/或剂量。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图13A或图13B所述的电热能量收集器和/或结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器和/或结合图16所述的光电收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000C可以布置在病人的假体上。这种结构可以用于分析具有替换缺失身体部位(例如，腿、脚、臂、手或人体的任何其他部位)的假体的病人的运动。例如，可以使用这种系统来训练病人控制假体并且进行适当运动。系统1000C可以用于测量与假体相关的角加速度和/或线性加速度。在这些情形中，系统1000C可以是与假体连接的有线或无线传感器。例如，传感器可以布置在假体的表面上或假体的内部。作为选择或者除此以外，传感器可以布置在围绕一部份假体的带子上。传感器可以构造成用角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度，从而提供速度、角度、步长或者可以从角加速度和线性加速度导出的其他关注性能量度的指示。I/O接口1012可以是上述有线或无线接口类型之一。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。ASIC 1010可以构造成将角加速度和/或线性加速度转换为角度、速度、步长或者可以从角加速度和线性加速度导出的其他关注性能量度。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图13A或图13B所述的电热能量收集器和/或结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器和/或结合图16所述的光电收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000C可以出于理疗的目的而布置在病人身体的任何适当部位上。这种结构可以用于分析受伤病人的运动并且可以用于训练病人进行适当运动。系统1000C可以用于测量与病人身体的任何适当部位(例如，腿和手臂)相关的角加速度和/或线性加速度。在这些情形中，系统1000C可以是有线或无线传感器并且可以布置在病人穿戴的带子或小薄片上。传感器可以构造成用角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度，从而提供速度、角度、步长或者可以从角加速度和线性加速度导出的其他关注性能量度的指示。I/O接口1012可以是上述有线或无线接口类型之一。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。ASIC 1010可以构造成将角加速度和/或线性加速度转换为角度、速度、步长或者可以从角加速度和线性加速度导出的其他关注性能量度。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图13A或图13B所述的电热能量收集器和/或结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器和/或结合图16所述的光电收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000C可以布置在可植入器件中以监控装置的状态。可植入器件可以是人造器件，用于替换缺失生物结构，支持损害生物结构，或增强现有生物结构。例如，骨科植入物可以用于治疗骨折、骨关节炎、脊柱侧弯、椎管狭窄或慢性疼痛，并且可以包括在愈合时用于锚固断裂的骨的针、杆、钉或盘。作为另一个实例，在心脏、瓣膜或循环系统的其余部分失调的情况下，可以植入心血管可植入器件。心血管可植入器件可以用于治疗诸如心力衰竭、心律紊乱、心室性心博过速、心脏瓣膜病、心绞痛和动脉粥样硬化等状况，并且可以包括人造心脏、人造心脏瓣膜、可植入复律器-除颤器、心脏起搏器或冠状动脉支架。作为另一个实例，感知和神经植入物可以用于影响主要感官和大脑的失调或其他神经性失调。感知和神经植入物可以用于治疗诸如白内障、青光眼、圆锥角膜和其他视觉障碍等状况；耳硬化症和其他听觉损失问题或中耳疾病(例如，中耳炎)；或者神经性疾病(例如，癫痫症和帕金森症)。系统1000C可以布置在任何这种可植入器件上，并且可以用于监控装置的情况(例如，装置的磨损)。在这些情形中，系统1000C可以构造成用角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度，从而通过ASIC 1010提供例如骨科植入物的心搏或运动的指示。I/O接口1012可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000C可以用于提供流体粘度的指示。例如，系统1000C可以位于微流体通道附近。图24示出根据一些实施例的感测流体粘度的系统。在一些实施例中，微流体通道2401可以包括在流体中产生湍流的区域2403。例如，该区域可以包括波纹部分。在这些实施例中，装置2405可以包括系统1000C，并且可以布置在区域2403附近。当流体在该区域附近移动时，可以经历湍流。装置2405可以构造成用角加速度计1002检测这种湍流和/或用线性加速度计1007检测线性加速度。ASIC 1010可以构造成基于检测到的湍流提供流体粘度的指示。I/O接口1012可以是上述有线或无线接口类型之一。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图13A或图13B所述的电热能量收集器和/或结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器和/或结合图16所述的光电收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括能量储存部件(例如，本文所述类型的一个或多个超级电容器)来储存能量收集器收集的一部分或全部能量。
在一些实施例中，本文所述角加速度计可以用于上面布置电路的各种类型的系统，例如除了加速度计以外的传感器、用户界面、输出装置、电路控制器、显示驱动器或其任何适当组合。图10D是示出根据本申请一些非限制性实施例的用于检测角加速度的系统1000D的结构图，该系统包括本文所述类型的角加速度计和一个或多个其他类型的电路或部件。也就是说，系统1000D可以与增加了存储器1016、传感器1014、用户界面1018、输出装置1024、马达驱动器1022、显示驱动器1020或其任何适当组合的系统1000C相同。在图10D中用虚线显示的部件是可选的并且可以仅在某些实施例中使用。
传感器1014可以包括任何适当类型的传感器，例如一个或多个温度传感器、压力传感器、心率传感器、声音传感器、超声传感器、光传感器、红外传感器、速度传感器、二氧化碳传感器、氮氧化物传感器、pH传感器、流动传感器、气体传感器、高度计、空气速度传感器、深度传感器、冲击传感器、自由降落传感器、里程计、压电传感器、位置传感器、GPS传感器、激光传感器或距离传感器。
存储器1016可以包括一个或多个存储单元。例如，存储器1016可以包括只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、磁性存储器或任何其他适当类型的存储器。在一些实施例中，存储器1016可以储存包括一个或多个计算机可执行指令的计算机代码。ASIC 1010可以构造成访问和执行指令。在一些实施例中，存储器1016可以储存数据。例如，存储器1016可以储存角加速度计和/或线性加速度计的参考数值。ASIC 1010可以构造成从存储器1016访问参考数值并且将参考数值与线性加速度计1007和/或角加速度计1002生成的信号比较。
用户界面1018可以构造成接收来自用户的输入。例如，用户界面1018可以与键盘、按键、鼠标、触摸屏、触摸板、照相机、麦克风或任何其他适当类型的输入外设连接。在一些实施例中，ASIC 1010可以构造成作为经由用户界面1018提供的输入的响应而处理探测到的信号。
显示驱动器1020可以构造成接收与角加速度计1002和/或线性加速度计1007感测的信号相关的数据。作为接收这些信号的响应，显示驱动器可以构造成驱动显示装置来显示代表这些信号的可视信息。
输出装置1024可以包括LED、振动装置、发声器或其任何适当组合。输出装置1024可以用于在符合预定条件时警告使用者。
马达驱动器1022可以包括用于驱动一个或多个马达(例如，DC马达)的电路。
系统1000D的一部分或全部部件可以布置在基板(例如，柔性基板)上。在一些实施例中，系统1000D的一部分或全部部件可以布置在根据图21A-21B所示方式的柔性基板上。
与图10A的系统1000A一样，图10D的系统1000D可以布置在与体育、医疗、军事和工业应用有关的多种应用中。
作为一个实例，系统1000D可以布置在为遭受帕金森症的人而设计工具和/或器具上。例如，系统1000D可以布置在勺或叉子上。这种结构可以用于补偿抖动。系统1000D可以用于测量与使用者抖动相关的角加速度和/或线性加速度。传感器提供的信息可以用于驱动补偿抖动的马达。使器具或工具稳定可以至少帮助手抖动的一些人更容易地使用器具或工具。传感器可以构造成用角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度。ASIC 1010可以构造成处理检测到的角加速度和/或线性加速度并且控制马达驱动器1022.马达驱动器1022可以驱动一个或多个马达来补偿抖动。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。
作为另一个实例，系统1000D可以用于监控人的睡眠，并且可以布置在头带、颈带、腕带、囊或者将要布置在人体任何适当部位上的小薄片上。例如，该系统可以用于监控经受睡眠呼吸暂停的病人的呼吸。系统1000D可以用于测量与人的呼吸相关的角加速度和/或线性加速度。在这些情形中，系统1000D可以是有线或无线传感器，并且可以构造成用角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度，例如，从而提供病人的头相对于身体的角度和/或呼吸速率或幅度的指示。I/O接口1012可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机、智能电话或平板电脑)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。ASIC 1010可以构造成将角加速度和/或线性加速度转换为呼吸速率、幅度或头-身角度。在一些实施例中，用于监控呼吸的系统可以包括输出装置1024(例如，发声器或振动装置)，用于在符合一些条件时提供报警信号。例如，ASIC1010可以构造成当人处于呼吸暂停状态并持续预定秒数(例如，十五秒)以上时通过输出装置1024输出唤醒信号。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图13A或图13B所述的电热能量收集器和/或结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器和/或结合图16所述的光电收集器.也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000D可以用于外科机器装置以在外科手术中帮助医生。系统1000D可以用于测量与医生的手的运动相关的角加速度和/或线性加速度。例如，该系统可以用于感测医生的手的运动并且过滤掉手抖动或其他无意动作，使其不会无意识地机械再现。作为选择，检测到的角加速度和/或线性加速度信息可以用于主动引导医生。在这些情形中，系统1000D可以为有线或无线传感器并且可以构造成用角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度，例如从而提供抖动的指示。I/O接口1012可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。ASIC 1010可以构造成将角加速度和/或线性加速度转换为抖动。ASIC 1010可以构造成控制马达驱动器1022。马达驱动器1022可以驱动一个或多个马达来补偿抖动。
作为另一个实例，系统1000D可以用于听力辅助装置。在一些情况下，听力辅助装置在麦克风捕获来自所有方向的声音的全方位模式下运行。在其他实例中，听力辅助装置可以在麦克风主要捕获来自特定方向的声音的定向模式下运行。当演讲来自使用者所面对的方向时，这种结构是特别有用的。
图25示出穿戴听力辅助装置2502和2503的人2501。这种听力装置可以以任何适当方式布置在人耳上，并且均包括系统1000D。系统1000D可以具有构造成感测使用者身体动作的角加速度计1002。例如，角加速度计可以构造成通过检测角加速度来以三维形式检测颈和/或头的运动(例如，颈的左右弯曲、颈的前后弯曲或颈的左右转动)。基于检测到的角加速度，ASIC 1010可以构造成提供表示使用者头部相对于声源方向的位置的信号。传感器1014可以包括一个或多个麦克风，例如左耳听力辅助装置的麦克风和右耳听力辅助装置的麦克风。在一些实施例中，麦克风可以与放大器连接。在一些实施例中，作为对感测使用者头部位置的响应，ASIC 1010可以控制每个麦克风以朝着声源方向调节最大放大率的方向。在一些实施例中，作为对感测使用者头部位置的响应，ASIC 1010可以控制适配过滤器以至少部分过滤来自特定方向之外的声音(例如，背景噪音)。
在图25的实施例中，输出装置1024可以包括一个或多个扬声器，例如左耳听力辅助装置的扬声器和右耳听力辅助装置的扬声器。ASIC 1010可以构造成用表示来自最大放大率方向的声音的信号来驱动扬声器。在一些实施例中，ASIC 1010可以构造成至少部分地基于检测到的人头部相对于声源方向的位置而在全方位模式与定向模式之间选择其一。
本文所述的系统1000D可以用于个人声音放大器产品(PSAP)、耳塞、头戴式耳机、耳背式助听器、耳上式助听器、耳内式助听器、不可见的耳道式助听器、开放式助听器或构造成为听话者放大声音的任何其他适当设备。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图14所述的电磁震动收集器和/或动能收集器1216)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，听力辅助装置可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000D可以用于床(例如，病床)上。系统1000B可以布置在床的靠背或靠枕上，并且角加速度计1002可以构造成感测与床的靠背或靠枕相关的角加速度。图26示出根据一些非限制性实施例的病床。装置2602可以布置在床2601的靠背上。装置2602可以包括系统1000D。检测到的角加速度可以储存在存储器1016中。ASIC 1010可以构造成访问存储器1016以取回检测到的角加速度并且至少部分地基于对取回的角加速度积分来提供表示靠背或靠枕位置的信号。在一些实施例中，ASIC 1010可以与马达驱动器1022连接，该马达驱动器可以控制床的位置。在一些实施例中，系统1000D可以形成用于使床的靠背或靠枕的位置位于所需位置的反馈电路。所需位置可以由使用者通过用户界面1018输入。在一些实施例中，系统1000D可以布置在传单或被子上。在一些实施例中，多个系统1000D可以布置床单或被子的不同位置。在这种结构中，角加速度计1002和/或线性加速度计可以构造成感测与床单或被子的特定位置相关的角加速度和/或线性加速度。检测到的加速度可以储存在存储器1016中。ASIC 1010可以构造成访问存储器1016以取回检测到的加速度并且至少部分地基于对取回的角加速度积分来提供表示床单或被子的的位置的信号。
作为另一个实例，系统1000D可以与饲管一起使用。饲管是用于向不能通过嘴获得营养、不能安全吞咽或需要营养补充的病人提供营养的医用装置。具体地说，鼻饲饲管穿过鼻孔，沿着食管到达胃部。鼻饲饲管通常用于特护病房(ICU)，从而在解决医疗条件的同时向急救病人提供营养。系统1000D可以用于监控饲管相对于病人鼻子的位置以防窒息。系统1000D可以沿着饲管布置在任何适当位置，并且可以使用角加速度计1002和/或线性加速度计1007检测与饲管的一个或多个部分有关的角加速度和/或线性加速度。
再次参考图26，可以使用饲管2608和2609喂养病人。饲管可以穿过病人鼻子2607的鼻孔。管的另一端可以与装置2612连接并且可以构造成向病人提供营养成分。在一些实施例中，传感器2610可以布置在饲管(例如，饲管2609)上。传感器2610可以构造成检测与饲管相关的加速度。检测到的加速度可以储存在存储器1016中。ASIC 1010可以构造成从存储器1016取回加速度并且至少部分地基于对取回的角加速度积分来提供表示饲管相对于病人位置的信号。ASIC 1010可以与输出装置1024连接，输出装置可以包括警报系统(例如，发生器)。如果ASIC 1010确定饲管的位置危险，ASIC 1010可以控制输出装置1024发出警报信号。
作为另一个实例，系统1000D可以用于心肺复苏(CPR)系统以保证正确进行CPR。例如，通过检测压迫的速率、深度和角度，该系统可以用来向救助者提供实时反馈。还系统可以布置在手持装置中以直接位于遭受心跳骤停的人的胸上。救助者可以在手持设备的顶部进行CPR。系统1000D可以用于测量与压迫相关的角加速度和/或线性加速度。在这些情形中，系统1000D可以构造成用角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度，例如从而通过ASIC 1010提供压迫速率、深度和角度的指示。ASIC 1010可以构造成控制输出装置1024(例如，构造成播放事先录制语音的扬声器)和/或显示驱动器1020。输出装置和/或显示装置可以构造成向救助者提供实时反馈以将压迫纠正到正确的速率、深度和角度。
作为另一个实例，系统1000D可以用于监控人是否站立和/或检测人是否已经跌倒。在这种结构中，系统1000D可以布置在小薄片、头带、臂带、腕带、腿带或用于施加人体任何适当部位的任何适当装置。该系统可以构造成检测与人体的布置有系统的部位相关的角加速度和/或线性加速度。例如，系统可以布置在用于施加在人胸部的小薄片上并且可以分别用角加速度计1002和线性加速度计1007检测与人胸部相关的角加速度和/或线性加速度。基于检测到的加速度，ASIC 1010可以构造成确定人是否坐下、站立、睡觉或跌倒。I/O接口1006可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机、智能电话或平板电脑)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图14所述的电磁震动收集器和/或动能收集器1216)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000D可以布置在布置在药丸摄影机上以在植入人体后监控药丸的位置。在这些情形中，系统1000D可以构造成用角加速度计1002检测角加速度和/或用线性加速度计1007检测线性加速度，例如从而提供药丸在人体内的位置的指示。检测到的加速度可以储存在存储器1016中。ASIC 1010可以构造成例如通过进行积分例程基于检测到的加速度提供有关药丸位置的信息。I/O接口1012可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。传感器1014可以包括摄影机。摄影机捕获的图像可以经由I/O接口1012周期性地发送。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，无线传感器可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000D可以布置在门或窗上以检测门或窗的角度位置。对于家庭安全而言，通常重要的是确定门或窗是否打开或关闭，因为打开可以表明企图入室盗窃。在这些情形中，系统1000D可以构造成用角加速度计1002检测角加速度，从而提供门或窗角度位置的指示。ASIC 1010可以构造成例如通过进行积分例程来提供门或窗的角度位置。I/O接口1012可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机、智能电话或平板电脑)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。系统1000D可以包括构造成在门或窗被侵犯时发出警报信号的输出装置1024(例如，发声器)。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图13A或图13B所述的电热能量收集器和/或结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器.也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，该系统可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
作为一个实例，系统1000D可以用于分析车辆对人体冲击的效果。在这种情况下，系统1000D可以布置在碰撞测试假人上。碰撞测试假人为全尺寸拟人测试装置(ATD)，模拟人体的尺寸、体重比例和关节。碰撞测试假人通常配备有在模拟车辆冲击时记录有关ATD动态行为的数据的仪器。本文所述类型的系统1000D可以布置在碰撞测试假人的任何适当部位(例如，腿、手臂、胸、头或肩)上。该系统可以构造成作为冲击的响应而检测与假人的布置有系统的部位相关的角加速度和/或线性加速度。分别用角加速度计1002检测角加速度，用线性加速度计1007检测线性加速度。在一些实施例中，检测到的加速度可以储存在存储器1016中。在一些实施例中，ASIC 1010可以构造成至少部分地基于检测到的加速度提供表示冲击速度、粉碎力、身体的弯曲、折叠或扭曲、减速速率或其任何适当组合的信号。I/O接口1012可以是上述无线接口中的一种类型。该系统可以周期性地向外部监控系统(例如，计算机、智能电话或平板电脑)发送检测到的角加速度和/或线性加速度。
作为另一个实例，系统1000D可以用于监控震荡，例如轨道车辆的摇摆运动，一些类型的震荡被称为摆动震荡。当火车以大于临界速度的速度行驶时，火车的一部分车厢会震荡。在一些情况下，震荡的幅度可能会大到足以损坏轨道和/或引起出轨。图27示出具有多个车厢2701A、2701B和2701C的火车2700。系统1000D可以布置成监控火车的震荡。例如，装置2703可以包括系统1000D并且可以布置在连接相邻车厢的连接器上或者布置在车厢的任何适当部位(例如，侧面、顶部或轮组)上。作为选择或者除此以外，装置2705可以包括系统1000D并且可以布置在车厢(例如，车厢2701C)的侧面。作为选择或者除此以外，装置2707可以包括系统1000D并且可以布置在车厢(例如，车厢2701C)的上侧。作为选择或者除此以外，装置2709可以包括系统1000D并且可以布置在车厢(例如，车厢2701C)的轮组上。
系统1000D可以构造成作为震荡(例如，摆动震荡)的响应而检测出现在车厢上的角加速度和线性加速度。分别用角加速度计1002检测角加速度，用线性加速度计1007检测线性加速度。在一些实施例中，ASIC 1010可以将检测到的加速度转换为表示震荡幅度的量。在一些实施例中，ASIC 1010可以将计算的震荡幅度与储存在存储器1016中的阈值进行比较。如果震荡幅度具有大于阈值的幅度，那么ASIC 1010可以构造成控制输出装置1024来提供警报信号。输出装置1024可以包括，例如，位于机车的驾驶员隔室内的显示器或指示器。I/O接口1012可以包括使ASIC 1010与输出装置1024连接的有线或无线接口。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图14所述的电磁震动收集器和/或结合图15A所述的电气过应力收集器和/或动能收集器1216)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，该系统可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
作为另一个实例，系统1000D可以结合视频游戏使用。例如，系统1000D可以布置在手柄、操纵杆、游戏板或任何其他适当类型的游戏控制器上。作为选择或者除此以外，系统1000D可以布置在可穿戴设备(例如，虚拟现实(VR)头戴、护目镜、手套、腕带、头带、腿带或计步器)上。在一些情况下，视频游戏可以被玩家进行的运动控制。系统1000D可以构造成检测与玩家身体的布置有系统的部位相关的角加速度和/或线性加速度。用角加速度计1002检测角加速度，用线性加速度计1007检测线性加速度。ASIC 1010可以构造成作为接收检测到的加速度的响应而控制动态游戏视频。通过实例且非限制的方式，ASIC 1010可以控制交通工具(例如，虚拟汽车、自行车、摩托车、飞机、直升机、无人机、船、火车)的运动或者化身(例如，虚拟运动员、战士或士兵)的运动。
作为另一个实例，系统1000D可以用于监控交通工具(例如，火车或汽车)的动作。在这种结构中，系统1000D可以布置在交通工具的能够旋转的任何部位(例如，车轮或驱动轴)上。角加速度计1002可以构造成检测与交通工具的布置有系统1000D的部位相关的角加速度。在一些实施例中，ASIC 1010可以构造成接收检测到的角加速度，并且可以构造成经由I/O接口1012向输出装置1024发送信号。输出装置可以包括例如布置在火车站的屏幕或指示器并且可以显示火车是否移动和/或行驶速度。作为选择或者除此以外，ASIC 1010可以构造成经由I/O接口1012向外部监控系统(例如，计算机)发送表示检测到的角加速度的信号。I/O接口1012可以是上述无线接口中的一种类型。在一些实施例中，供电单元1050可以包括一个或多个可充电电池。作为选择或者除此以外，供电单元1050可以包括能量收集系统(例如，结合图14所述的电磁震动收集器和/或动能收集器1216)。也可以使用其他类型的能量收集器。在一些实施例中，该系统可以包括用于储存能量收集器收集到的一部分或全部能量的能量储存部件(例如，一个或多个超级电容器)。
系统1000A-1000D可以用于机器健康监控应用。例如，可以使用本文所述类型的系统评估机器是否正当运行，是否需要维护，机器如何有效运行或出于其他原因，监控机器的性能和/或状态。一些机器或工业设备在使用期间或者仅仅随着时间推移而受到挠曲，例如部分变形。可以从角加速度的变化确定挠曲。例如。涡轮机(例如，风力涡轮机叶片)、机翼以及包括打孔、钻孔和抽吸装置的油气设备会受到挠曲。系统1000A-1000D可以固定或嵌入这些设备的适当位置以检测旋转的变化或可以从角加速度评估的挠曲度的变化。在一些实例中，这种信息可以用于评估设备的变形，因而可以用于评估设备故障的存在或可能性。
上述工业设备的类型还可以包括一个或多个能够转动的部件。例如，油气钻孔和抽吸设备可以包括多种旋转部件。系统1000A-1000D可以用于评估旋转或其不足，以提供设备性能的指示。
术语“近似”和“大约”在一些实施例中可以用来表示在目标值的±20％以内，在一些实施例中表示在目标值的±10％以内，在一些实施例中表示在目标值的±5％以内，而在一些实施例中表示在目标值的±2％以内。术语“近似”和“大约”可以包括目标值。
Claims (10)
1.角加速度检测设备，包括：
质量块，具有外边缘、内边缘和中心，所述外边缘界定出第一区域，所述内边缘位于在所述第一区域内并且界定出小于第一区域的第二区域，中心位于所述第二区域内；
所述质量块还包括多个梁，所述多个梁固定在所述质量块的内边缘上并且朝着所述质量块的中心延伸。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述质量块呈盘子形状。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括基板，其中所述质量块通过比所述多个梁更接近所述质量块中心的至少一个锚而连接在所述基板上。
4.根据权利要求3所述的设备，还包括与所述基板连接并与所述多个梁中的第一梁邻接的电极，所述电极构造成产生检测信号以响应梁的运动。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述电极为第一电极，所述检测信号为第一检测信号，所述设备还包括与所述基板连接的第二电极，所述第二电极与所述第一梁邻接并与所述第一电极相反，并且所述第二电极构造成产生与第一检测信号相反的第二检测信号以响应所述第一梁的运动。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述电极为第一电极，所述检测信号为第一检测信号，所述运动为围绕第一轴的第一运动，所述设备还包括位于所述基板上的第二电极，所述第二电极构造成产生第二检测信号以响应所述质量块围绕与第一轴垂直的第二轴的第二运动。
7.根据权利要求6所述的设备，还包括位于所述基板上的第三电极，所述第三电极构造成产生第三检测信号以响应所述质量块围绕与第一轴和第二轴垂直的第三轴的第三运动。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述质量块内边缘的最接近所述至少一个锚的点与所述至少一个锚相距第一径向距离，所述第一径向距离小于所述第二电极与所述至少一个锚之间的第二径向距离，并且所述第一径向距离小于所述第三电极与所述至少一个锚之间的第三径向距离。
9.根据权利要求1所述的设备，固定在所述质量块内边缘上的多个梁朝着所述质量块的中心径向延伸。
10.根据权利要求1所述的设备，其中固定在所述质量块内边缘上的所述多个梁中的第一梁具有自由端。
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