CN107567427B - 用于从机械振动产生电能的微型动能采集器 - Google Patents
用于从机械振动产生电能的微型动能采集器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于产生电能的微型动能采集器(1)，包括：‑支撑件(2)，‑具有环绕至少一个腔(31)的壁(32‑35)的第一元件(3)，‑被安装在所述第一元件(3)和所述支撑件(2)之间的至少一个弹簧(4)，所述弹簧(4)被设置为使得所述第一元件(3)可以根据至少一个振荡方向(X)开始相对于所述支撑件(2)的振荡，‑被设置于所述第一元件(3)和所述支撑件(2)之间的换能器(5)，用于将所述第一元件(3)相对于所述支撑件(2)的振荡转换为电信号，‑至少一个第二元件(7)，其被容纳在所述腔(31)内并且被安装为在所述腔(31)内相对于所述第一元件(3)自由运动使得当所述采集器(1)受到振动时碰撞所述腔(31)的壁(32‑35)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于从机械振动产生电能的微型动能采集器及其制造方法。
背景技术
振动能量采集器(VEN)是从环境捕获振动能量并且将其转换为有用电能形式的装置。
因为能够在没有维护的情况下运行很长时间，所以VEH近来已被视为普通电源如电化学电池或燃料电池的一种受关注的替代选择。因为其寿命长，VEH特别地被设想用于传输电能至需要很低能量的系统：例如无线传感器、RFID标签或欲植入身体的医疗设备。
大多数尺寸低于1厘米的微型VEH只能在固定的几百赫兹的频率处运行。事实上，这种惯性设备可以产生的最大电能取决于其屈从于的机械振动频率与其换能器的共振频率的匹配。在低频处最大电能显著降低。
然而，来自自然和人造源的机械振动并不一致并且主要处于100Hz以下。
文件US 2011/0074162公开了一种采集器，包括壳体、具有较大质量的第一质量元件M1、具有较小质量的质量元件m2以及弹簧元件。第一质量元件能够沿导杆相对于壳体滑动。第二质量元件也能够在第一质量元件的腔内沿相同导杆滑动。弹簧元件用于在其运动范围的末端停止质量元件。将第二质量元件设置为当壳体受到机械搅动时从第一质量元件接收碰撞转移的动能。第二质量元件包含永久磁体。被设置于第一质量元件的位移轴线周围的线圈将通过第二元件的位移产生的时变磁通量转换为输出电压。
采集器允许将能量从在低频处开始运动的第一质量元件转移到具有更高固有频率的第二质量元件。
其他专利申请US2011/101827,US2006/017353,US2010/045119描述了一些具有压电材料或磁体的需要弹性形变或呈现复杂结构的能量采集设备。
然而，由于需要将不同组件组装在一起，这样的采集器的制造可能是复杂的。另外，采集器可能非常庞大，使得其不适于其中没有较大空间的应用。
因此，需要一种能够在低频处有效地将机械振动转换为有用电信号的用于产生电能的微型动能采集器。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种尺寸较小例如约1平方厘米的微型动能采集器，其可以由具有大小为1到100微米之间的尺寸的组件构成。
本发明的另一个目的是提供一种可以使用通常用于半导体器件的批量制造技术制造为微机电系统(MEMS)的微型动能采集器。
本发明涉及一种用于产生电能的微型动能采集器，包括：
-支撑件，
-具有环绕至少一个腔的壁的第一元件，
-被安装在所述第一元件和所述支撑件之间的至少一个弹簧，所述弹簧被设置为使得所述第一元件可以根据至少一个振荡方向开始相对于所述支撑件的振荡，
-被设置于所述第一元件和所述支撑件之间的换能器，用于将所述第一元件相对于所述支撑件的振荡转换为电信号，
-至少一个第二元件，其被容纳在所述腔内并且被安装为在所述腔内相对于所述第一元件自由运动使得当所述采集器受到振动时碰撞环绕所述腔的所述壁。
“微型动力采集器”，是指尺寸较小即低于2厘米的采集器。如果该设备是由MEMS技术制造的，那么所述微型动力采集器的厚度小于0,5厘米。
所述采集器利用被容纳在所述第一元件的所述腔内的所述第二元件的自由运动来捕获低频振动并且将动能转移至所述第一元件，其继而在其固有频率处振荡。通过设置所述第一元件的所述固有频率，可以最大化由所述换能器输出的电信号的能量。
由于所述第二元件被安装为在所述腔内自由运动并且由于所述换能器被设置于所述第一元件和所述支撑件之间，所以用于组装该设备需要的操作被简化。
特别地，所述支撑件、所述第一元件、所述弹簧以及所述换能器可以在包含刻蚀单层材料的一个操作中被制成。所述层的材料可以是半导体材料如硅。
所述微型动能采集器还可以具有以下特征：
-所述第一元件具有第一固有振荡频率，并且所述第二元件被调整为当所述采集器受到具有低于所述第一固有频率的第二振荡频率的振动时被启动，
-所述换能器是MENS换能器，
-所述微型动能采集器包括设置于所述支撑件和所述第一元件之间的弹性停止器，用于限制所述第一元件根据其振荡方向的移动，
-所述弹性停止器包括非线性弹簧，
-环绕所述腔的所述壁以所述第一元件的质量被制成，
-所述微型动能采集器包括被设置于所述第一元件和所述第二元件之间的弹性停止器，用于限制所述第二元件相对于所述第一元件的移动，
-所述弹性停止器在环绕所述腔的所述壁中被制成，
-所述腔具有直线式壁(rectilinear wall)以沿所述振荡方向引导所述第二元件，
-所述腔具有曲线壁以沿圆形路径引导所述第二元件，
-所述第一元件可以根据至少两个振荡方向开始相对于所述支撑件的振荡，
-所述微型动能采集器包括被固定于所述支撑件的底盖和顶盖以形成封闭所述第一元件、所述弹簧、所述第二元件和所述换能器的壳体，
-所述底盖和所述顶盖中的每个都具有形成凹部的表面，使得所述底盖和所述顶盖不与所述第一元件、所述弹簧和所述换能器接触，
-所述换能器为包括具有被固定于所述支撑件的第一电极和被固定于所述第一元件的第二电极的电容器的静电换能器，并且其中所述第一元件相对于所述支撑件的振荡造成所述第二电极相对于所述第一电极的振荡从而造成所述电容器电容的变化，
-所述第二电极与所述第一电极由间隙分隔开并且所述第二电极相对于所述第一电极的振荡造成所述电极之间间隙的变化，
-所述第一电极具有第一区域并且所述第二电极具有面向所述第一电极的所述第一区域的第二区域，并且所述第二电极相对于所述第一电极的振荡造成面向彼此的区域的变化，
-设置所述第一电极和所述第二电极(例如具有所述三角形形状的电极)使得所述第二电极相对于所述第一电极的振荡改变间隙和重叠区域二者，从而造成所述电容器电容的变化，
-所述第一电极和所述第二电极为分形形状，
-所述第一电极和所述第二电极包括绝缘材料(即SiO2、特氟隆基、CYTOP…)，其可以被永久地充电以获得用于在所述电极之间产生静电引力的驻极体，-所述支撑件环绕所述第一元件，
-所述弹簧为非线性弹簧，
-所述弹簧为线性弹簧，
-所述弹簧可以包含压电材料，其可以被激活以在所述第一元件上产生预应力以启动所述采集器，
-所述第二元件为球体，
-所述第二元件为矩形，
-所述换能器为静电换能器，
-所述换能器为压电换能器，
-所述腔的至少两个尺寸大于所述第二元件的尺寸使得所述第二元件至少在两个振荡方向上被移位，
-所述腔为圆形，
-所述第一元件包括两个腔，并且所述设备包括两个第二元件，每个第二元件被容纳在相应的一个腔内，
-所述设备包括多个被安装在所述支撑件和所述第一元件之间的弹簧，
-所述支撑件、所述第一元件、所述弹簧和所述换能器由半导体材料如硅制成。
本发明还涉及一种用于制造所述动能采集器的方法，包括步骤：
-在半导体层上形成掩膜，
-经由掩膜刻蚀半导体层，以形成所述支撑件、所述第一元件、所述弹簧和换所述能器，
-将所述第二元件引入所述第一元件的所述腔内。
所述方法还可以包括步骤：
-在所述支撑件上固定底盖和顶盖，以形成封闭所述第一元件、所述弹簧、所述第二元件和所述换能器的壳体。
所述方法还可以包括步骤：
-从所述壳体抽出空气以降低所述壳体内的压力。
所述方法还可以包括步骤：
-刻蚀所述底盖和所述顶盖以在所述底盖和所述顶盖的每个上创建具有
凹部的表面，使得一旦所述顶盖和所述底盖被固定于所述支撑件时底盖和顶盖不与所述第一元件、弹簧和换能器接触。
本发明还涉及一种用于使用所述动能采集器产生电能的方法，包括步骤：
-以第一频率摇动所述动能采集器，使得所述第二元件碰撞所述第一元件，造成所述第一元件相对于所述支撑件以第二频率振荡，以及
-收集所述换能器输出的电信号，所述电信号来源于所述第一元件相对于所述支撑件的振荡。
附图说明
图1示意性地示出根据本发明第一实施例的具有间隙闭合电极换能器(gap-closing electrode transducer)的微型动能采集器，
图2是图1的微型动能采集器的详细视图，
图3是弹性停止器的示意视图，
图4A至4G示出用于制造图1的微型动能采集器的方法的不同步骤，
图5是具有调节电路的图1的微型动能采集器的示意模型，
图6是示出对于不同外部偏压的根据第一元件位置的微型动能采集器的势能的图，
图7A至7D是分别示出根据机械振动频率的第一元件的位移幅度、第二元件的位移幅度、换能器的电容以及输出电信号的电压的仿真的图，
图8是示出根据机械振动频率的第一元件的位移幅度和在第一元件的腔内的第二元件的位移幅度的图，
图9是图8的图的部分放大视图并且示出与第二元件碰撞期间第一元件(上方腔壁)的位移，
图10是输出电信号的相应电压，
图11A是示出根据机械振动频率的由微型动能采集器产生的电功率的图，
图11B是示出根据机械振动频率的在没有第二元件的情况下由相同微型动能采集器产生的电功率的图，
图12是示出根据本发明第二实施例的微型动能采集器的示意图，
图13是示出根据本发明第三实施例的微型动能采集器的示意图，
图14是示出根据本发明第四实施例的微型动能采集器的示意图，
图15是示出根据本发明第五实施例的微型动能采集器的示意图，
图16是示出根据本发明第六实施例的微型动能采集器的示意图，
图17至图21是不同腔和弹性停止器的示意视图，
图22至图25是不同静电换能器的示意视图，
图26是示出根据本发明第七实施例的微型动能采集器的示意图，
图27是示出根据本发明第七实施例的微型动能采集器的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出根据本发明第一实施例的微型动能采集器。微型动能采集器1包括支撑件2、第一元件3、弹簧4、静电换能器5和弹性停止器6。
支撑件2形状为框架形并且环绕第一元件3、弹簧4、静电换能器5和弹性停止器6。支撑件2包括两个纵向杆21和两个横向杆22。
纵向杆21和横向杆22被间隙23彼此分隔开以避免它们之间电短路。
第一元件3形状为具有四个角的一般矩形。第一元件3具有例如可以形成在第一元件3的中心处的腔31。
腔31是在第一元件层中被制成的槽。例如，槽31为矩形形状并且由在第一元件3的纵向方向延伸的两个纵向壁32、33和在第一元件3的横向方向延伸的两个横向壁34、35界定。
第一元件3还包括从第一元件3的横边突出的四个突起36。
微型动能采集器1包括将第一元件3悬挂于支撑件2的四个弹簧4。
每个弹簧4为蛇形形状。
每个弹簧4在支撑件2的横向杆22和第一元件3的角之间延伸。
弹簧4被设置为使得第一元件3根据一个振荡方向X相对于支撑件2是可运动的。振荡方向X平行于支撑件2的纵向杆21。
第一元件3和弹簧4形成了具有固有振荡频率的质量弹簧系统。
微型动能采集器1包括两个静电换能器5。
如图2所示，每个静电换能器5包括相对于支撑件固定安装的第一梳状物51(或固定梳状物)和相对于第一元件固定安装的第二梳状物52(或运动梳状物)。
第一梳状物51具有相对于第一元件3的振荡方向X垂直延伸的多个第一指53。
第二梳状物52具有也相对于第一元件3的振荡方向X垂直延伸的多个第二指54。
第一梳状物51和第二梳状物52相互交叉，其意味着第二指54在第一指53之间延伸。第一指53和第二指54被间隙彼此隔开。这样，第一梳状物51和第二梳状物52形成电容器的两个电极。
第一元件3相对于支撑件2在方向X上的振荡造成第一梳状物51相对于第二梳状物52在垂直于指的方向上的振荡，从而造成存在于第一指53和第二指54之间的间隙的变化，从而造成电容器电容的变化。
如图1所示，将第二元件7被定位在第一元件3的腔31内。
第二元件7是由金属例如钨制成的球体。球体直径比腔31的宽度略低使得球体能够在腔31内相对于第一元件3自由运动。
腔31的纵向壁32、33被定向以沿与第一元件3的振荡方向X共线的方向引导球体。
微型动能采集器1包括被设置于支撑件2和第一元件3之间的用于限制第一元件3相对于支撑件2移动的四个弹性停止器6。
如图2和3所示，每个弹性停止器6面向在第一元件上形成的相应突起36。
每个弹性停止器6包括被形成于支撑件2中的梁61。梁61具有固定连接于支撑件2的两个端。梁61沿与第一元件3的振荡方向X相截的方向延伸。
可以通过在半导体层中设置槽62获得梁61，槽62沿横向杆22的一侧延伸。
当第一元件3相对于支撑件2振荡时，第一元件3的突起36可以与梁61相撞。
每次突起36与梁61相撞，突起36就将梁61朝着支撑件2推动，造成了梁61弹性弯曲。
由于其弹性，梁61产生反抗第一元件3运动的回弹力。结果，弹性停止器6将第一元件的速度放大。
微型动能采集器1还包括被固定于支撑件2的底盖8和顶盖9以形成封闭第一元件3、弹簧4、换能器5、弹性停止器6和第二元件7的壳体。
底盖8和顶盖9中的每个都具有形成各自凹部81和91的内表面，使得底盖8和顶盖9不与第一元件3、弹簧4、换能器5和弹性停止器6接触。
底盖8和顶盖9防止球体7从第一元件3的腔31逸出。
底盖8和顶盖9由绝缘材料如玻璃制成。将它们接合至杆21和杆22以形成支撑件2被附接在其上的刚性框架。
支撑件2的两个部分23和24被气隙25、26分隔以避免第一梳状物51和第二梳状物52之间电连接。
在使用中，当在低频(低于60Hz)处摇动微型动能采集器1时，第二元件7被启动进入腔31中并且而二择其一地碰撞腔31的壁34和35。第二元件7由此将动能转移至第一元件3，其继而相对于支撑件振荡。第一元件3在质量弹簧系统的固有频率处振荡。另外，第一元件3通过弹性停止器6与支撑件碰撞。
弹性停止器6将第一元件3的速度和第二元件7的速度放大。静电换能器5将第一元件3相对于支撑件2的振荡转换为输出电信号，其可以进一步用于为电子设备供能。
图4A至4G示出用于制造微型动能采集器1的工艺的不同步骤。
根据第一步骤(图4A)，通过刻蚀第一玻璃晶片300以在玻璃晶片中产生凹部81从而形成底盖8。可以通过液体或蒸气氢氟酸(HF)或反应离子刻蚀(RIE)而刻蚀第一玻璃晶片300。
根据第二步骤(图4B)，在导体层200上沉积掩膜100。导体层200例如为厚度典型地在200微米和2毫米之间的掺杂硅层。掩膜100定义了具有开口的图案，其界定要在半导体层形成的采集器的组件的形状。掩膜100可以由厚光刻胶或金属例如像铝(Al)、铬(Cr)或镍(Ni)的薄膜制成。
根据第三步骤(图4C)，通过掩膜100刻蚀导体层200，对于掺杂硅层优选地由深反应离子刻蚀(DRIE)进行。导体层200被刻蚀通过其全部厚度。该第三步骤导致采集器的组件例如支撑件、第一元件3、弹簧4、静电换能器5和弹性停止器6的形成。
根据第四步骤(图4D)，将导体层200组装至底盖8，优选地通过阳极键合。更确切地说，将底盖8固定至采集器的支撑件2，使得其他组件即，第一元件3、弹簧4、静电换能器5和弹性停止器6在凹部81上方延伸并且不与底盖8接触。
根据第五步骤(图4E)，由双面掩膜工艺刻蚀第二玻璃晶片400以在玻璃晶片中产生凹部91而形成顶盖9。可以通过液体或蒸气氢氟酸(HF)或高频反应离子刻蚀而刻蚀第二玻璃晶片。顶盖需要双掩模工艺来贯穿整个厚度刻蚀四个矩形形状的通孔，以允许电线与四个电极极板接合。
根据第六步骤(图4F)，将球体7嵌入第一元件3的腔31内。球体7的嵌入可以使用拾取和放置机器进行。
根据第七步骤(图4G)，将顶盖9组装至导体层200，优选地通过阳极键合使得可以在两盖之间获得真空以减少空气阻尼。也可以通过丙烯酸粘合剂将顶盖9粘合至导体层200。将顶盖9被固定于采集器1的支撑件2，使得其他组件例如第一元件3、弹簧4、静电换能器5和弹性停止器6在凹部91下延伸并且不与顶盖9接触。从而将导体层200夹在底盖8和顶盖9之间。
底盖8和顶盖9形成保护采集器1的组件的壳体并且防止球体7从第一元件3的腔31逸出。
在图4A至4G上示出的工艺中，通过刻蚀导电材料的一个单个层获得采集器的组件，即采集器的组件，即支撑件2、第一元件3、弹簧4、静电换能器5和弹性停止器6。
可替选地，可以将静电换能器5制造在两个不同层中。特别地，静电换能器5可以具有被制造在第一材料层中的一个电极和被制造在第二材料层中的第二电极。
图4A至4G示出了一种用于使用通常用于半导体器件的批量制造技术而制造微型动能采集器为微机电系统(MEMS)的工艺。可替选地，可以通过金属板的激光加工、聚焦离子束微加工或3D打印而制造微型能量采集器。
示例
图5是图1的微型动能采集器1的示意模型。
模型的参数如下：
ms是第一元件的质量，
mb是第二元件的质量，
ksp是弹簧的刚度，
kst是弹性停止器的刚度，
g0是指与电容器之间的间隙，
d是质量弹簧系统的阻尼系数，
在恒定电压v0下将微型动能采集器预充电并且输出功率跨串联的可变负载电阻RL耗散。
第一元件3由厚度为20μm的蛇形弹簧4悬挂于支撑件2。通过从10跨到20V的初始偏压V0对梳状电容器进行预充电。将直径为0.8mm的碳化钨微球体的第二元件7容纳在第一元件3内的测得宽1mm长1.5mm的矩形腔31内。
当系统在低于60Hz的频率下振动时，微球体7在腔31内自由运动并且碰撞第一元件3的上内壁34和下内壁35。每个碰撞将宽带机械脉冲提供给第一元件3。第一元件继而在通常高于100Hz的固有频率处共振。这样，输入振动的动能从低于2-60Hz的低频被转移至在92-120Hz范围内的高频。这样的机械升频变换的运行带宽取决于球体移动距离和弹性停止器6的梁的偏转高度。该原型的腔长度被设计成对于给定的0.3g的加速度，最大碰撞速率发生在15-20Hz附近(其中g＝9.81ms-1)。基于关于系统模型的计算，7mm的球体腔长度将最优化采集器在2Hz处的运行。该配置对于捕获来自人类运动的能量而言具有巨大潜力。例如，这对起搏器的电池进行充电是有用的。
停止器6的硅梁61(60μm厚，2mm长)允许第一元件3与支撑件2良好的弹性碰撞。计算出的停止器6在中点处的等效弹簧刚度结果为kst＝2.71×104N/m,而蛇形弹簧4沿方向X运动的刚度结果对于实验的MEMS原型为ksp＝19N/m并且对于仿真模型为68N/m。整个模面测得约10×10mm2。梳状物指53和54长度为2mm、宽度为30μm并且之间有70μm的初始间隙g0。表1示出系统参数。
在提供了机械振动的电磁振动器(TMS，型号K2007E01，具有集成功率放大器)上测试微型动能采集器原型。振动控制器(Brüel&)通过加速计的反馈产生和操纵输入振动。在恒定电压V0(5-20V)下将微型动能采集器预充电并且输出功率跨串联的可变负载电阻RL(1kΩ-0.5MΩ)耗散。
然后通过以装有LabView程序的PC处理的数据采集卡(国家仪器，型号USB-6211)记录所有信号。
以仿真和实验测试二者初步表征微型动能采集器来标识列于表1的模型参数。随后，执行输入加速度ai＝0.3g rms和不同偏压V0＝5-20V的正弦扫描下的初始测试。将具有钨微球体7和不具有钨微球体7的系统行为进行比较而开展所有测量。
表1：用于微型动能采集器的模型参数
表1中术语“exp”是指示例中详细描述的制造的设备的参数的值。
表1中术语“sim”是指用于图7至11中示出的仿真的参数的值。
图6是示出对于不同外部偏压U0根据第一元件3(硅质量)的位置的微型动能采集器的势能的图。
图7A是示出在5秒时间内从1Hz到200Hz的正弦扫描机械振动下的第一元件的位移幅度的仿真的图。
图7B是示出腔内壁的位置(上部和下部实线)和微球体在正弦扫描机械振动下的位移的图。三个主要曲线示出球体的位移：中间虚线示出球体的中心，上部和下部曲线示出球体的边界。第一上部曲线和最后下部曲线分别示出第一元件的腔壁的位置。
图7C是示出在正弦扫描机械振动下的换能器的电容变化的图。
图7D是示出相应输出电信号的电压的图。
可以注意到，在低频处，在2-20Hz的间隔中，微球体以大位移振荡而第一元件起初的振动几乎可忽略不计。微球体与腔内壁的碰撞速率随频率从2Hz直到40Hz的增加而增加。在这个间隔中，微球体遍及与腔内壁的碰撞将其大部分动能转移至振荡的第一元件。每次碰撞时，第一元件在高频(其共振附近)处振荡。然后，从40Hz到200Hz微球体的碰撞速率减少，而因为输入振动的频率接近第一元件的共振频率所以第一元件的振荡幅度增加。
图8是示出根据机械振动频率的第一元件的位移幅度和微球体的位移幅度的图。0-5s的时间间隔对应于0-200Hz的频率扫描。三个中心的曲线示出球体的位移：虚线的中间曲线示出球体的中心，上部曲线和下部曲线示出球体的边界。第一上部曲线和最后下部曲线分别示出第一元件的腔壁的位置。
图9是示出根据时间的第一元件的位移幅度和微球体的位移幅度的图并且是图8的图的一部分的放大视图。可以观测到在每次微球体的碰撞之后，第一元件在其固有频率(150Hz)处共振。
图10是输出电信号的相应的电压。第一元件的机械运动由静电换能器转换为电压变化。
图11A是示出根据机械振动频率的由微型动能采集器产生的电能的图。
能量由在包括1Hz和40Hz之间的频率范围内的碰撞微球体，以及由在其固有频率(150Hz)附近的共振第一元件产生。
图11B是示出在没有微球体的情况下，根据机械振动频率的由相同微型动能采集器产生的电能的图。
在1Hz和40Hz之间包括的频率范围内没有能量被产生。
其他可能的实施例
图12是示出根据本发明第二实施例的微型动能采集器1的示意图。
根据该第二实施例，弹性停止器6’被设置于第一元件3和第二元件7之间，用于速度的放大和用于带宽的扩展。
弹性停止器6’包括被形成于第一元件中的梁。梁被定位于腔31的两端并且在腔31内相对于第一元件7的移动方向横向延伸。可以通过在导体层中设置槽而获得每个梁，所述槽沿第一元件3的横向壁34、35延伸。
在这种情况下，通过下式表达停止器的等效刚度：
其中E是杨氏模量，w、h和L是梁沿垂直于运动的轴线的宽度、厚度和长度。
可以通过如在支撑件2中那样在第一元件3中靠近腔壁34和35刻蚀槽而将弹性停止器制成为弹性梁。
图13是示出根据本发明第三实施例的微型动能采集器1的示意图。
根据该第三实施例，第一弹性停止器6被设置于支撑件2和第一元件3之间并且第二弹性停止器6’被设置于第一元件3和第二元件7之间。
图14是示出根据本发明第四实施例的微型动能采集器1的示意图。
同样根据该第四实施例，第一弹性停止器6被设置于支撑件2和第一元件3之间并且第二弹性停止器6’被设置于第一元件3和第二元件7之间。
然而，第一弹性停止器6被形成于第一元件3中而不是支撑件2中。第二弹性停止器6’与被形成于第一元件3中的第二实施例的弹性停止器相同。
图15是示出根据本发明第五实施例的微型动能采集器1的示意图。
根据该第五实施例，弹性停止器6’被设置于支撑件2和第一元件3之间。弹性停止器6与被形成于第一元件3中的第四实施例的弹性停止器相同。
图16是示出根据本发明第六实施例的微型动能采集器1的示意图。
根据该第六实施例，微型动能采集器1包括具有两个腔31的第一元件3和两个第二元件7。每个第二元件7被容纳于第一元件3的相应腔31中并且被安装为在腔31内相对于第一元件3自由运动。应当注意，微型动能采集器可以具有多于两个腔。
在该第六实施例中，第一元件的重量通过增加腔的数量而减少，然而，第二元件的密度原则上比第一元件的密度高。因此，设备的共振频率可以被制造得更高并且对应的产生出的能量更大因其是共振频率的立方。另外，第二元件(微球)在低频处具有更多动能并且在碰撞中，其转移更多该动能至第一元件。
每个腔31都是直线式的。腔31可以相互平行并且被定向为根据平行于第一元件3的振荡方向X的运动方向引导第二元件7。
图17至图21为不同腔和弹性停止器的示意视图。
图17示出被设置于第一元件3和第二元件7之间的两个弹性停止器6’。
弹性停止器6’包括被形成于第一元件3中的梁63。梁63被定位于腔31的两端并且相对于第二元件7在腔31内的移动方向X横向延伸。可以通过在导体层中设置槽64而获得每个梁63，所述槽沿第一元件3的横向壁34、35延伸。
图18示出尺寸(长和宽)大于第二元件7的尺寸的矩形腔31，使得第二元件7可以在腔31内在两个垂直的方向X和Y相对于第一元件3自由运动。
另外，设备包括被设置于第一元件3和第二元件7之间的四个弹性停止器6’和6”。两个弹性停止器6’被设置为限制第二元件7在第一方向X相对于第一元件3的运动。其他两个弹性停止器6”被设置为限制第二元件7在第二方向Y相对于第一元件的运动。
第一弹性停止器6’包括被形成于第一元件中3的第一梁63。第一梁63沿横向壁34和横向壁35被定位。第一梁63相对于方向X横向延伸。可以通过在导体层中设置槽64而获得每个第一梁63，槽64平行于第一元件3的横向壁34、35延伸。
第二弹性停止器6”包括被形成于第一元件3中的第二梁65。梁65沿纵向壁32和纵向壁33被定位。第二梁65相对于方向Y横向延伸。可以通过在导体层中设置槽66而获得每个第二梁65，槽66平行于第一元件3的纵向壁32和纵向壁33延伸。
图19示出直径大于第二元件7的尺寸的圆形腔31，使得第二元件7可以在腔31内在两个垂直的方向X和Y相对于第一元件3自由运动。
设备1还包括沿圆形腔31的壁被设置的两个弹性停止器6”’。每个弹性停止器6”’包括沿环绕腔31的圆形壁37延伸的曲线梁67。可以通过在形成第一元件3的导体层中设置两个弧形槽68而获得梁67。
图20示出具有均为直线式的两个腔31和31’的第一元件3。腔31和腔31’相互垂直并且被定向为根据两个相应垂直的运动方向引导两个第二元件7和7’。第二元件中的一个7沿平行于第一元件3的振荡方向X的方向被引导。另一个第二元件7’沿垂直于第一元件3的振荡方向X的方向Y被引导。
图21示出能够由绕垂直于方向X和方向Y的轴线Z的旋转而相对于支撑件2振荡的第一元件3。第一元件3具有弧形腔31。弧形腔31由曲面壁32和曲面壁33界定，使得第二元件7在腔31内沿圆形路径相对于第一元件3被引导。更确切地说，腔31的每个壁32和33为柱面的一部分的形状。壁33的半径和壁32的半径(从轴线Z被测量)之间的差别基本上等于第二元件7的直径。
图22至图25为不同静电换能器5的示意视图。
图22示出具有沿平行于第一元件3相对于支撑件2的振荡方向X的方向延伸的电极53’、54’的静电换能器5’。第一元件3在方向X相对于支撑件2的振荡造成第二电极54’在平行于电极的方向相对于第一电极53’的振荡，因而造成电极的重叠区域a0的变化，从而造成电容器电容的变化。
图23示出具有沿垂直于第一元件3相对于支撑件2的振荡方向X的方向延伸的电极53、54的静电换能器5。第一元件3在方向X相对于支撑件2的振荡造成第二电极54在垂直于电极的方向相对于第一电极53的振荡，因而造成存在于第一电极53和第二电极54之间的间隙g0的变化，从而造成电容器电容的变化。
图24示出包括电极53”、54”的静电换能器5”，每个电极53”、54”为三角形形状。第一元件3相对于支撑件2的振荡造成存在于电极之间的间隙g0的变化和电极的重叠区域a0的变化二者。
图25示出包括电极53”和54”的静电换能器5”，每个电极为基于三角形图案的一阶分形形状。第一元件3相对于支撑件2的振荡造成存在于电极之间的间隙g0的变化和电极的重叠区域a0的变化二者。分形形状允许最大化电容器电容的变化。
图26为示出根据本发明第七实施例的微型动能采集器1的示意图。
在该第七实施例中，第一元件3环绕尺寸(长和宽)大于第二元件7的尺寸的矩形腔31，使得第二元件7可以在腔31内在两个垂直的方向X和Y相对于第一元件3自由运动。
另外，第一元件3由弹簧4悬挂或链接于支撑件2。弹簧4被设置为使得第一元件3根据两个垂直的振荡方向X和Y相对于支撑件2是可运动的。更确切地说，装置1包括四个弹簧4，每个弹簧4将第一元件3的一个角连接于支撑件。每个弹簧4相对于X方向和Y方向以45°延伸。
装置1还包括被设置于第一元件3和支撑件2之间的四个静电换能器5和5’。静电换能器包含具有沿平行于方向Y的方向延伸的电极54和55的两个第一静电换能器5，以及具有沿平行于方向X的方向延伸的电极54’和55’的两个第二静电换能器5”。
第一元件3在方向X相对于支撑件2的振荡造成第二电极54在垂直于电极53、54的方向相对于第一电极53的振荡，从而造成第一静电换能器5的电容的变化。这也造成第二电极54’在平行于电极53’、54’的方向相对于第一电极53’的振荡，从而造成第二静电换能器5的电容的变化。
类似地，第一元件3在方向Y相对于支撑件2的振荡造成第二电极54在平行于电极53、54的方向相对于第一电极53的振荡，从而造成第一静电换能器5的电容的变化。这也造成第二电极54’在垂直于电极53’、54’的方向相对于第一电极53’的振荡，从而造成第二静电换能器5的电容的变化。
设备1还包括被设置于支撑件2和第一元件3之间的弹性停止器6，用于限制第一元件根据振荡方向X和振荡方向Y二者的移动。
图27是示出根据本发明第七实施例的微型动能采集器的示意图。如在第七实施例中，第一元件3环绕尺寸(长和宽)大于第二元件7的尺寸的矩形腔31，使得第二元件7可以在腔31内在两个垂直的方向X和Y相对于第一元件3自由运动。
第一元件3由弹簧4悬挂或连接于支撑件2。弹簧4被设置为使得第一元件3根据垂直的两个振荡方向X和Y相对于支撑件2是可运动的。更确切地说，装置1包括四个弹簧4，每个弹簧4将第一元件3的一侧连接于支撑件。
装置1还包括被设置于第一元件3和支撑件2之间的四个静电换能器5”’。每个静电换能器5”’具有被固定安装于支撑件2的第一电极53”’(或固定电极)，以及被固定安装于第一元件3的第二电极54”’(或移动电极)。每个第二电极54”’从第一元件3的角中的一个延伸。
第一电极53”’和第二电极54”’相对于方向X和方向Y以45°延伸。
在这样的设置中，当第一元件3在方向X或方向Y中的任何一个开始相对于支撑件2的振荡时，第二电极54”’相对于第一电极53”’振荡以造成存在于电极之间的间隙g0的变化和电极的重叠区域a0的变化二者，从而造成静电换能器5”’电容的变化。
Claims (16)
1.一种用于产生电能的微型动能采集器(1)，包括：
-支撑件(2)，
-具有环绕至少一个腔的壁的第一元件(3)，
-被安装在所述第一元件(3)和所述支撑件(2)之间的至少一个弹簧(4)，所述弹簧(4)被设置为使得所述第一元件(3)可以根据至少一个振荡方向(X)开始相对于所述支撑件(2)振荡，
-被设置于所述第一元件(3)和所述支撑件(2)之间的换能器(5)，用于将所述第一元件(3)相对于所述支撑件(2)的振荡转换为电信号，
-至少一个第二元件(7)，其被容纳在所述腔内并且被安装为在所述腔内相对于所述第一元件(3)自由运动使得当所述采集器(1)受到振动时碰撞所述腔的所述壁。
2.根据权利要求1所述的微型动能采集器，其中，所述第一元件(3)具有第一固有振荡频率，并且所述第二元件(7)适于在当所述采集器(1)受到具有低于所述第一固有频率的第二振荡频率的振动时被设置为运动。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的微型动能采集器，其中，所述换能器(5)是MEMS换能器。
4.根据权利要求1所述的微型动能采集器，包括被设置于所述支撑件(2)和所述第一元件(3)之间的弹性停止器(6)，用于限制所述第一元件(3)根据其振荡方向(X)的移动。
5.根据权利要求4所述的微型动能采集器，其中，所述弹性停止器(6)包括非线性弹簧。
6.根据权利要求4或5所述的微型动能采集器，其中，所述弹性停止器(6)中的一个包括被形成于所述支撑件(2)中或所述第一元件(3)中的梁(61)，所述梁(61)通过在形成所述支撑件(2)或所述第一元件(3)的材料层中设置槽(62)而获得。
7.根据权利要求1所述的微型动能采集器，包括被设置于所述第一元件(3)和所述第二元件(7)之间的用于限制所述第二元件(7)相对于所述第一元件(3)移动的弹性停止器(6)。
8.根据权利要求1所述的微型动能采集器，其中，所述腔具有直线式壁以沿所述振荡方向(X)引导所述第二元件(7)。
9.根据权利要求1所述的微型动能采集器，其中，所述第一元件(3)可以根据至少两个振荡方向(X，Y)开始相对于支撑件(2)振荡。
10.根据权利要求1所述的微型动能采集器，包括被固定于所述支撑件(2)的底盖(8)和顶盖(9)以形成封闭所述第一元件(3)、所述弹簧(4)、所述第二元件(7)和所述换能器(5)的壳体。
11.根据权利要求10所述的微型动能采集器，其中，所述底盖(8)和所述顶盖(9)中的每个都具有形成凹部(81,91)的表面，使得所述底盖(8)和所述顶盖(9)不与所述第一元件(3)、所述弹簧(4)和所述换能器(5)接触。
12.根据权利要求1所述的微型动能采集器，其中，所述换能器(5)为包括具有被固定于所述支撑件(2)的第一电极(53)和被固定于所述第一元件(3)的第二电极(54)的电容器的静电换能器，并且其中所述第一元件(3)相对于所述支撑件(2)的振荡造成所述第二电极(54)相对于所述第一电极(53)的振荡从而造成所述电容器电容的变化。
13.根据权利要求1所述的微型动能采集器，其中，所述第二元件(7)为球体。
14.根据权利要求1所述的微型动能采集器，其中，所述支撑件(2)环绕所述第一元件(3)。
15.根据权利要求8-14中任一项所述的微型动能采集器，其包括两个腔，所述两个腔为直线式腔，所述直线式腔相互垂直延伸，并且被定向为引导两个第二元件(7,7’)，所述第二元件中的一个(7)沿平行于所述第一元件(3)的所述振荡方向(X)的方向被引导，所述另一个第二元件(7’)沿垂直于所述第一元件(3)的所述振荡方向(X)的方向(Y)被引导。
16.根据权利要求1所述的微型动能采集器，其中，经由通过掩膜(100)刻蚀单层材料(200)而形成了所述支撑件(2)、所述第一元件(3)、所述弹簧(4)和所述换能器(5)。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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