CN116547897A - 用于环境热能和振动能收集的装置 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种芯片上集成电路，其可以包括串联连接并且产生AC噪声信号的多个电容器。所述AC噪声信号的选定带宽传输通过所述串联电容器作为第一AC功率信号。相应整流器经定位用于接收所述第一AC功率信号的正循环和所述第一AC功率信号的负循环。输出端子连接到所述相应整流器，并被配置为连接到芯片外电路。所述电容器可以是固定间隙电容器或可变间隙电容器。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年4月22日提交的名称为“环境热能和振动能收集”的美国临时专利申请序列号63/013,631的优先权，并通过引用将其并入。
技术领域
所公开的技术总体上涉及用于收集热能和振动能的系统、装置和方法。
关于联邦政府资助研究的声明
本公开中提出的研究在开发操作期间不依赖任何政府资金。
背景技术
能量收集是从外部来源捕获传统能量的实践，但也利用新兴技术捕获从热能源、振动源(例如车辆、机器、建筑物和人类运动)和动能源产生的能量。然后，所捕获的能量可用于各种应用。例如，电容器长期以来一直是储能的标准设备，但新技术允许实现其他能量收集方法。
在较新的实施例中，电容器极板可以是可变间隙电容器，其能够实际产生交流电，该交流电可以经整流用于功率存储。参见美国专利公开号20190386584(“能量收集装置和传感器及其制造和使用方法”)，该专利通过引用并入本文，如同完全阐述一样。在共同拥有的‘584公开中，极板(可选地为石墨烯膜)固定在一端，并且当其被施加的能量、环境能量、振动、热、光等激发时，将在两个末端之间上下振动。通过在两个末端之间弯曲和振荡，在极板表面上形成的应变/应力可用于捕获能量。
在一个示例中，即使在机械安静的环境中，原子尺度的振动也普遍存在。这是由于材料保持在绝对零度以上的某个温度，并且这种振动被称为热振动。正是关于这些及其他考虑事项，介绍了下面描述的各种实施例。
热能，诸如引起上述振动的热能，也在许多其他电路中引起电响应。然而，如果热能要被收集用于其他应用，则热能产生的信号不仅必须被捕获，而且必须被转换成可靠、稳定的功率信号。目前在能源领域中存在对用于收集由热系统甚至环境热条件下产生的电能的电路、方法和系统的需求。
发明内容
在一个实施例中，一种能量收集系统包括连接到至少一个电容器的DC电压源，该至少一个电容器产生AC噪声信号。AC噪声信号的选定带宽传输通过电容器作为第一AC功率信号，并且相应的二极管整流第一功率信号，以用第一AC功率信号对正循环存储电容器和负循环存储电容器充电。
在另一个实施例中，AC噪声信号是热噪声信号，并且至少一个电容器是串联连接的多个电容器。
在另一个实施例中，电容器被配置为具有1皮可法拉的存储容量。
在另一个实施例中，第一AC功率信号在第一AC功率信号的正循环期间通过正向偏压二极管进行整流，以产生输出功率信号。
在另一个实施例中，第一AC功率信号在第一AC功率信号的负循环期间通过反向偏压二极管进行整流，以产生输出功率信号。
在另一个实施例中，二极管被配对为子单元，并且子单元连接到正循环金属迹线连接和负循环金属迹线连接，并且子单元以与正循环金属迹线连接和负循环金属迹线连接的相应连接进行重复。
在另一个实施例中，正向偏压二极管和反向偏压二极管连接到Cockcroft-Walton全波整流器和倍增器电路中的附加二极管。
在另一个实施例中，能量收集系统中的多个电容器是可变间隙电容器，该可变间隙电容器从AC噪声信号产生第一AC功率信号，并且从可变间隙电容器放电循环产生第二AC功率信号。
在另一个实施例中，电容器由DC电压源完全充电到稳定状态。
在另一个实施例中，二极管是基于电导比率来选择的，以匹配作为噪声源的电容器。
在另一个实施例中，AC噪声信号包括由于通过电容器的导电载流子缺陷跳跃引起的电导率。
在另一个实施例中，DC电压源提供与二极管的导通电压相对应的电压。
本公开的另一个实施例是芯片上集成电路，并且该集成电路包括至少一个电容器，其连接到该电路以产生AC噪声信号。AC噪声信号的选定带宽传输通过电容器作为第一AC功率信号。相应整流器接收第一AC功率信号的正循环和第一AC功率信号的负循环。输出端子连接到相应整流器，并被配置为连接到芯片外电路。
在另一个实施例中，电路内的AC噪声信号由环境热能产生。
在另一个实施例中，集成电路被配置为连接到芯片外电路，该芯片外电路具有连接到多个电容器的DC电压源、用第一AC功率信号充电的正循环存储电容器和负循环存储电容器。
在另一个实施例中，集成电路具有第一二极管被配置为第一AC功率信号的第一相应整流器，以从第一AC功率信号的正循环产生第一输出功率信号。
在集成电路的另一个实施例中，第二二极管被配置为第一AC功率信号的第二相应整流器，以从第一AC功率信号的负循环产生第二输出功率信号。
在集成电路的另一个实施例中，集成电路具有产生AC噪声信号的至少一个电容器。AC噪声信号的选定带宽传输通过电容器作为第一AC功率信号。相应地正向偏压晶体管和反向偏压晶体管整流AC噪声信号的对应的正循环和负循环。输出端子连接到晶体管，并且被配置为连接到用于从输出信号进行能量收集的芯片外电路。
在方法实施例中，组装能量收集电路的方法包括连接能量收集电路内的至少一个电容器；通过以第一电容器极板相对于独立式膜的第一表面具有初始分离距离来限定至少一个电容器，在能量收集电路中形成电容区域，其中独立式膜的第一表面限定第二电容器极板；将独立式膜暴露于环境热能，以引起电容区域中的电荷积累，环境热能也引起热AC噪声信号；选择电容器的电容，以选择传输通过电容器的AC噪声信号的带宽作为第一AC功率信号；以及整流第一AC功率信号以用第一AC功率信号给正循环存储电容器和负循环存储电容器充电。
在该方法的另一个实施例中，该方法包括相对于第一电容器极板定位膜，使得膜不受阻碍并且响应于环境热能自由振动，其中膜的振动限定了沿着第一表面的周期性纹波形成，并且其中每个纹波形成相对于第一电容器极板在波峰与波谷之间交替，以改变可变间隙电容器中的初始分离距离。
在该方法的另一个实施例中，该方法包括使电容区域在相应的整流器上放电，以引导积累的电荷，从而将第二功率信号添加到能量收集电路。
附图说明
现在将参考附图，附图不一定是按比例绘制的。
图1A是根据本公开的一个实施例的能量收集电路的示意图。
图1B是根据本公开的实施例的与根据图1A的能量收集电路兼容以储存能量的芯片外电路的示意图。
图2是根据电压绘制的Nyquist噪声信号功率相对来自根据图1A的能量收集电路的整流噪声信号的平均功率的示意图。
图3A是根据本公开的另一实施例的能量收集电路的示意图，该能量收集电路利用倍增器电路来实现根据本公开的DC输出。
图3B是建立可变间隙电容器的示例能量收集电路的示意图，该可变间隙电容器具有易受来自环境能量源的纹波影响的柔性膜。
图3C是图3B的能量收集电路的一个部分的横截面示意图。
图4是测试设置的示意图，该测试设置测量来自施加到根据图3的整流电路的AC噪声信号的输出功率信号。
图5是图1A所示的DC电压源的反向电容值相对RMS电压的曲线图，其中反向电容值根据图1A所示的一系列电容器相加。
图6是本公开的方法和系统可以在其中操作的计算机环境的示意图。
图7是显示来自并联连接在一起的电阻器和10pF电容器的噪声电压的测试结果图。当源电阻为100兆欧(与负载电阻相匹配)时，噪声电压最大。
图8是示出了根据本公开的18级和24级Schottky Cockcroft-Walton电路的增益相对输入电压的曲线图。
具体实施方式
尽管在此详细解释了所公开技术的示例实施例，但是应该理解，其他实施例也是可以预期的。因此，不打算将所公开的技术的范围限制在以下描述中阐述的或附图中示出的组件的构造和布置的细节。本发明所公开的技术可具有其他实施例，并且能够以多种方式实践或实施。
在下面的说明中参考了附图，这些附图形成本发明的一部分并且以例示的方式示出了特定实施例或示例。
还必须注意，如在说明书和所附权利要求书中所用，单数形式“一个”“一种”“该”和“所述”包括复数指代物，除非上下文另外明确规定不是这样。范围在本文中可表示为从“约”或“大约”一个特定值和/或至“约”或“大约”另一个特定值。当表达此类范围时，其他示例实施例包括从一个特定值和/或至另一个特定值。
在描述示例性实施例时，为了清楚起见，将采用术语。每个术语旨在设想本领域的技术人员能够理解的最广泛的含义，并且包括以类似方式操作以实现类似目的的所有技术等同形式。还应当了解，提及方法的一个或多个步骤并不排除在明确指出的那些步骤之间存在另外的方法步骤或中间方法步骤。在不脱离本发明所公开的技术的范围的情况下，可按照与本文所述的顺序不同的顺序执行方法的步骤。类似地，还应当了解，在装置或系统中提及一个或多个部件并不排除在明确指出的那些部件之间存在附加部件或中间部件。
本公开示出了硬件和相关方法，通过这些硬件和相关方法，存在于所有电路中的噪声能量可以被引导到用于其他应用的功率收集电路。用于从环境电荷波动中收集能量的装置可以基于最近发现的本公开内容，即输出功率可以通过相对于电荷和/或电压的电导变化率而被显著放大。噪声能量可以是从选定硬件产生的先前预期频率和振幅的计划信号。在一个非限制性实施例中，单个噪声能量源用于将噪声信号馈送到整流电路以进行功率传输。该单个源可以是如附图所示的一系列电容器。
单个噪声能量源的一个非限制性示例可以参照出于示例目的示出的先前公布的、共有的美国专利公开号20190386584(“Energy Harvesting Devices and Sensors andMethods of Making and Use Thereof(能量收集装置和传感器及其制造和使用方法)”)来例示，如本文图3B和图3C所示。图3A和图3B是具有潜在数百万个能量收集元件225的基于硅的集成电路400的示意图。该设计仅具有一个电源200和一个存储电容器275，但这些并非限制性因素。第一路径(用阴影和虚线“----”表示)是电流向石墨烯膜添加电荷的情况，而第二路径(用圆圈“°°°”表示)是电流向固定存储电容器275添加电荷的情况。硅具有二极管对250A–250n的阵列，在每对二极管之间具有各自的金属触点225A–225n。金属触点225充当系统的上述能量收集元件。在金属触点225上方是独立式石墨烯265，并且如上所述，其处于持续运动中，响应于环境能量、振动等形成波峰和波谷。当石墨烯膜振荡时，每个小电极225A–225n将用于将电荷传输回石墨烯和/或电池或传输回存储电容器275中。这是一种在纳米尺度上收集能量的方法，数百万个石墨烯纹波中的每一个都向电容器贡献电荷。
为了说明的目的，并且不将本公开限制于任何一种配置，图3A和图3B的实施例的显著之处在于，根据先前描述的实施例，触点225A-225I(或者至多225n，其中n是任意数量的触点)充当可变电容器被充电和放电的流量方向点。被示为覆盖必要组件的石墨烯膜265的柔性极板可用作第一电容器极板335，并且金属触点225可用作第二电容器极板235A–235n，以形成可变电容器(即，极板之间的距离根据具有波峰和波谷的膜纹波而改变)。这些种类的可变电容器可以用作图1A的电容器组105A、105B、105C中所表示的相应电容器。该膜可以覆盖如图所示的整个电路或者至少金属触点225，以形成可变电容器。该可变电容器在由于环境热能和振动动能导致膜265发生波动方面与上述实施例操作相同，从而导致膜265且因此导致其中一个电容器极板移位然后返回(循环发射和存储电荷)。这些循环导致金属触点225上电荷的相应变化，使得当金属极板225与膜265之间的电容区域在极板之间的距离增加时，在金属触点上收集的电荷向存储电容器转移以用于收集。当可变电容器120的极板235、335之间的电容区域处于其最小值时(即，在纹波波谷期间极板最接近)，电容性电荷处于Cmax，电荷被收集在金属触点235上。在针对集成电路400示出的示例中，在石墨烯膜265的窗口区域中的峰值纹波时间期间，收集到金属触点上的正电荷载流子被引导到存储电容器中，用于使电流在向上箭头的方向上流动(即，对固定存储电容器275充电)。在石墨烯膜265的窗口区域中的波谷纹波时间期间，正电荷载流子被进一步收集到金属触点上，而负电荷载流子被引导到石墨烯膜265上，用于使电流在向下箭头的方向上流动(即，对电压源200充电)。
图3C示出了图3B所示的集成电路的横截面的侧视图。层状集成电路400包括上述电压源或电池200、固定存储电容器275和形成在衬底诸如但不限于硅晶片205中的收集电路。独立式膜265形成在该结构上，并且在该非限制性示例中，该膜由石墨烯制成。二极管250形成在硅晶片衬底205中。支座支撑件210确保适当的分离，并且是热能以及环境动能的来源。独立式石墨烯膜265具有第一表面125A和第二表面125B，该第一表面充当电容器极板335。硅晶片包括金属触点225其是如上所述的另一个电容器极板235。在不限制本公开的某些实施例中，独立式石墨烯膜265可以结合到栅格258中，该栅格限定了在形成本文公开的可变电容器时用于与金属触点配对的窗口区域。
在另一个示例性初步实施例中，公开了一种能量收集装置，该能量收集装置具有用于环境热能和振动能收集的电源，具有用于以相对低的频率屈曲的原子二维膜。在非限制性实施例中，膜的活性组分可以是来自分离的石墨的碳。在某些实施例中，该来源可使用独立式石墨烯，该独立式石墨烯在速度概率分布中具有很大的速度分量。振动膜可能是噪声信号的来源，但也可能是在装有该膜的电容器的放电循环期间释放的另一个AC功率。参见上面引用的美国专利公开号20190386584。
根据所公开技术的实施例的装置可例如结合到用于提取能量的各种系统、装置和方法中，包括放电传感器、力和质量传感器以及具有更张充电寿命的自供电装置。
根据所公开的技术的实施例的装置也预期用作质量检测装置或流量电荷传感器。例如，在某些实施方式中，与二维膜可操作地连接的分析计算机组件将具有预定的灵敏度，该灵敏度可操作来感测和利用来自膜的相对低频的振动。因此，二维膜将经受屈曲频率，并且当基于膜附近质量体的存在检测到预定变化时，由于装置的膜对质量体处产生的力所引起的振动的敏感性，将确定并传输关于质量体检测的输出。
在上述非限制性示例中收集的能量的起源或来源主要是热能。在一些非限制性实施例中，用于收集该能量的技术将是定制设计的基于硅的集成电路。一旦设计完成，电路就可以由市售半导体代工服务来制造。本公开对于制造商直接与多项目晶片(MPW)第三方服务合作也是可行的。
下面讨论的一种非限制性设计示于图1A并且参考图3B和图3C。如图3B和图3C所示，并如共同未决的美国专利公开号20190386584中所详述，存在一系列电容器连接到两个二极管，并且这是能量收集电路。在一个非限制性示例中，图1A的电容器组105A、105B、105C可以是可变间隙电容器，如图3B和图3C所示、上文和下文所讨论，并且随着电容器极板移动，它们会产生AC电压。图1A的二极管然后整流该AC电压信号。
在图1A的顶部是标记为D1、C和D2的三个接触垫。它们允许访问芯片。D1只连接到左边的二极管，D2只连接到右边的二极管，并且C只连接到该系列电容器。术语“右”、“左”、“顶部”、“底部”、“垂直”和水平被用作相对于图1A和图1B的示意图的示例性取向并且不限制本公开。因此，一个示例性设计由垂直重复的子单元构成，出于示例目的，这些子单元被示为重复的二极管对组和串联的电容器组。更明确地说，在图1A中，第一子单元102A包括串联的第一二极管对110A、120A和第一组电容器105A；第二子单元102B包括串联的第二二极管对110B、120B和第二组电容器105B；第三子单元102C包括串联的第三二极管对110C、120C和第三组电容器105C。在一个示例性实施例中，每个子单元因此具有两个二极管110A、120A、110B、120B、110C、120C，这两个二极管连接在一起并对齐以在相同方向上传递电流。在图1A中，电路电流的正循环将从右向左流动。
继续图1A，最左边的二极管110A、110B、110C的输出通过称为二极管1(D1)迹线141的公共金属迹线连接在一起。D1迹线141还连接到第一接触垫130，该第一接触垫与图1A的表示形式中芯片左上方附近的D1相关联，其用于芯片外访问。类似地，非限制性附图中最右边的二极管120A、120B、120C的输入信号通过称为二极管2(D2)迹线143的公共金属迹线连接在一起。D2迹线143还连接到图1A右上方附近标记为D2的第二接触垫140，并且用于芯片外访问。在每个子单元中，相应的中间金属迹线145A、145B、145C将两个二极管连接在一起，并且具有在图的垂直方向上分出的相应的第三金属迹线131A、131B、131C。该第三金属迹线131A、131B、131C在电容器的第一端连接到相应系列的电容器105A、105B、105C。在该系列电容器的第二端，存在公共金属迹线，且被称为电容器(C)迹线142。C迹线142将电容器的所有第二端连接在一起，并将电容器连接到顶部附近标记为C 135的接触垫，并用于芯片外访问。在一个示例性总成中，二极管和电容器子单元的图案沿芯片上下重复数千次，类似于图3B所示。芯片将具有有限数量的用于芯片外访问的连接。芯片外触点的最小数量是三个(D1、D2和C)。如下文进一步讨论的，该装置输出显示功率还取决于电导的变化率，而不是功率仅取决于电导。这可以显著提高输出功率。
代替使用上述二极管，本公开还包括使用有源整流MOSFET。这将提供较低的“导通”电压，且因此提供较低的损耗。使用有源整流时，芯片外访问将需要额外的金属迹线和金属接触垫。这些触点允许向芯片MOSFET组件供电。
上面使用的电容器的电容将尽可能小，并且在非限制性实施例中，通常可以小于1皮可法拉(pF)。通过增加如图1A所示的串联电容器(即，对图3B的单个可变电容器225A-225n中的每一个使用该系列电容器105A、105B、105C)，该设计将电容降低了系列中的数量。换句话说，对于图3B的每个可变电容器225A–225n，一个非限制性构造结合了几个串联的可变电容器105A、105B、105C，如图1A所示，并且使用这些系列的电容器的热噪声来提高电路的功率输出。例如，通过串联十个1pF电容器，该系列的总电容将变为0.1pF。由电容器产生的热电压可以被认为是功率源(即，上面讨论的噪声功率源)。将该电压与二极管性能相匹配将有助于使损耗最小化，并使输出功率最大化。
如图2所示，本文公开的最新理论发现显示了超过传统奈奎斯特理论的功率提升。当使用非线性装置如二极管和该系列电容器时，会出现功率提升。图2示出了当使用非线性装置如二极管时，从本公开的设计预测输出功率提升的精确理论模型与奈奎斯特理论的比较。方程1表示历史奈奎斯特发现：
角括号<>表示图2中绘制的值是平均值。在括号内，T代表温度，并且R代表负载电阻(即连接到图1A的电路的装置或设备和牵引功率)。R为常数值。C是电容值，诸如但不限于在美国专利公开号20190386584中所述且如图3B所示的极板-石墨烯结的可变电容R_E是两个二极管的等效电阻，在本示例性实施例中，这两个二极管相对，如图3C所示。R_E的值不是常数，而是取决于电路中流动的电流。终究，电流是电荷的时间变化率。图2的奈奎斯特曲线图215是针对图1的D2 140处的电压的D2 140处的平均功率输出。
方程2表示这里公开的至少一个进步：
此处的新术语中具有变量H。H是一个可变电容器诸如图3B、图3C的石墨烯265的一个极板的总能量(即系统的汉密尔顿值)。在图3A、图3B中，石墨烯膜的能量取决于电荷q。因此，d表示变化量(δ)，dH/dq＝q/C。如果R_E是常数，则d/dq(dH/dq)＝1/C，并给出奈奎斯特公式。但是，d/dq项也表示电荷变化时二极管的电阻的变化率(变化的电荷是电流)。该计算不能以简单的形式书写，因此该公式的值被绘制为精确的输出208，以图形方式示出超过奈奎斯特公式的增强。图4中示出测试设置405，其绘出了来自由计算机427监控的测试电路418、422的这些结果410、412。许多计算机化的组件可以结合到本公开的所有实施例中。
图5的图表示出根据本公开测试的各种电容器的输出噪声电压。曲线505示出输出电压与1/C的关系。值得注意的是，1/C的值越大，输出电压也越大。在515处所示的最小电容不是对本公开的限制，而是10^-12法拉(1pF)。
图1A和图1B在上文中已描述为示出了第一非限制性实施例。如图1B所示的能量收集系统包括片上电路100(在图1A中详细示出)和芯片外电路102(其可以与图3A、图3B的电路相当，但不限于此，用于讨论目的)。芯片外电路102包括连接到如上所述片上电路100中串联连接的多个电容器105A、105B、105C的DC电压源150，并在线131A、131B、131C上产生AC噪声信号。该连接在图1B中在连接图1的C迹线142的标记为C 135的接触垫处示出为AC电压源。通过选择计划规格的电容器，AC噪声信号的选定带宽传输通过该系列电容器105A、105B、105C作为第一AC功率信号。电容器考虑噪声响应，诸如噪声信号标准偏差的测量。在一个非限制性的操作理论中，AC噪声信号至少包括由于通过电容器跳跃的导电载流子缺陷引起的电导率。第一AC噪声信号131A、131B、131C被引导到相应的二极管110A、110B、110C、120A、120B、120C，整流第一功率信号以用第一AC功率信号给正循环存储电容器160和负循环存储电容器170充电。由于示例性序列中的反向电容的相加性质，该序列电容器总体上降低了该序列的总电容。在一个非限制性实施例中，电容器被配置为具有一皮可法拉(1pF)的存储容量。
图1利用存在于该系列电容器两端的AC噪声信号131A、131B、131C，并且在一个非限制性实施例中，噪声信号是热噪声。热噪声可以至少部分地由承载图1A和图1B的电路的芯片的环境条件来控制。例如，图1A可能暴露于热环境中，以增加热噪声的振幅。第一AC噪声信号131A、131B、131C是通过电容器传输的环境噪声信号的频率子集。第一AC噪声信号在第一AC噪声信号的正循环期间通过正向偏压二极管110A、110B、110C进行整流，以产生输出功率信号。第一AC噪声信号在第一AC功率信号的负循环期间通过反向偏压二极管120A、120B、120C被进一步整流，以产生相应的输出功率信号。二极管可以配对为子单元的一部分，并且该子单元连接到正循环金属迹线连接141和负循环金属迹线连接143。子单元以与正循环金属迹线连接和负循环金属迹线连接的相应连接进行重复。
在图1A和图1B所示实施例的一些非限制性版本中，多个电容器由定位在芯片外(图1B)或芯片上(如果需要)的DC电压源(类似于图3BRef.200)完全充电到稳定状态。DC电压源200提供与二极管或使用中的其他非线性电路组件的导通电压对应的电压。基于电导比率选择二极管以匹配作为噪声源的多个电容器。
在另一个实施例中，正向偏压二极管和反向偏压二极管连接到Cockcroft-Walton全波整流器和倍增器电路中的附加二极管，如图3A所示。图1A中所示的作为来自该系列电容器105A、105B、105C的输出的AC噪声信号131A、131B、131C可以连接到正极端子308A和负极端子308B。全波整流器在具有正向偏压二极管310和反向偏压二极管320的级中建立输入功率的倍数，并且整流功率信号被引导到DC输出365。
这里对应附图的电路可以利用多个具有可变间隙电容器的电容器305，其从AC噪声信号产生第一AC功率信号，并且从可变间隙电容器放电产生第二AC功率信号。上文讨论了可变间隙电容器技术在，并且美国专利公开号20190386584(“能量收集装置和传感器及其制造和使用方法”)(该专利通过引用并入本文，如同在此完全阐述一样)详细讨论了该技术。
如图1A和图1B所示，能量收集电路可以实现为芯片上集成电路。图1A示出了具有多个串联连接的电容器并产生上述AC噪声信号的片上电路。AC噪声信号的选定带宽传输通过该串联电容器作为第一AC功率信号。相应整流器接收第一AC功率信号的正循环和第一AC功率信号的负循环。输出端子连接到相应整流器，并被配置为连接到芯片外电路。在图1B所示的一个非限制性实施例中，芯片外电路可以包括伴随电路，该伴随电路包括但不限于连接到多个电容器的DC电压源、用第一AC功率信号充电的正循环存储电容器和负循环存储电容器。当芯片外电路如图3B、图3C所示配置时，使电容区域在相应整流器上放电的正常操作还引导累积的电荷将第二功率信号添加到能量收集电路。换句话说，本公开的经整流的热噪声信号131A、131B、131C是第一功率信号，并且在一些实施例中，图3B、图3C所示正常的可变电容器能量收集是能量收集的第二功率信号。
上面讨论的可变间隙电容器技术适用于高效的能量收集电路。该方法的步骤可以至少包括：连接能量收集电路内的一系列电容器；对于该系列中的每个电容器，通过限定相对于独立式膜的第一表面具有初始分离距离的第一电容器极板在能量收集电路中形成电容区域。独立式膜的第一表面限定第二电容器极板。将独立式膜暴露于环境热能引起电容区域中的电荷积累，并且环境热能也引起热AC噪声信号。该方法包括选择电容器的电容，以选择传输通过该串联电容器作为第一AC功率信号的AC噪声信号的带宽。根据本公开的其余部分，该方法包括整流第一AC功率信号以用第一AC功率信号给正循环存储电容器和负循环存储电容器充电。在非限制性实施例中，实施该方法包括相对于第一电容器极板定位膜，使得膜不受阻碍并且响应于环境热能自由振动。膜的振动限定了沿着第一表面的周期性纹波形成，并且每个纹波形成相对于第一电容器极板在波峰与波谷之间交替，以改变可变间隙电容器中的初始分离距离。使电容区域跨相应整流器放电，以引导累积的电荷，从而将第二功率信号添加到能量收集电路。
实验性公开
如上面针对能量收集引用的美国专利公开，美国专利公开号20190386584(“能量收集装置和传感器及其制造和使用方法”)所讨论，从输出功率的模型中发现的线性功率公式类似于奈奎斯特公式P＝kBT/RC。这里C是波动的石墨烯的平均电容。在特定的建模条件下，石墨烯进行的总运动可以很小，但公式仍是一样。这意味着固定电容器也应该工作，并给出相同的公式，其中固定电容是平均电容。测试表明，输出功率在较低频率下得到增强。本文使用的主要但非限制性模型中的机制是石墨烯由于应变的累积而反转其曲率的较慢速率。在一个非限制性的操作理论中，传导机制(势垒穿越率)被认为是所有1/f噪声的来源。
事实证明，1/f噪声存在于所有电子器件中，包括固定电容器(被认为是由于缺陷跳跃)。这意味着固定电容器也将在较低频率下给出增强的功率。用于石墨烯实验的可变间隙电容器(Vrms)的输出电压波动很小，且约为30mV。由于一个目标是整流该信号，因此该电压最好等于或高于“导通”二极管电压(肖特基二极管为200mV)。硅二极管(导通电压为700mV)也已使用MOSFET技术进行了有源整流测试。这些装置需要少量的功率来操作，但它们的导通电压只有10mV。比较太阳能行业的应用，使用硅时的欧姆损耗远大于驱动MOSFET所用的功率。这使我们能够充分利用晶体管提供的放大器优势。
诸如图4所示的一个测试示例以全波整流器418的形式构建，以测试这一点，其中增加了由无源二极管和电容器构成的十倍倍增器电路。回想一下，噪声信号实际上将源自一系列电容器，但是当模拟测试输入具有200mV(零平均值)的Vrms的噪声信号410、412时，输出422是2VDC，如万用表427上的实验所示。由于这适用于肖特基二极管(和700mV的硅)，同样的操作原理也适用于10mV的MOSFET。电压低不是问题。对于固定电容器，电压低于石墨烯，但固定电容器在实验室中证明，例如当串联16个电容器时，输出电压上升四倍。本公开和相关测试的结果表明，通过设计相关的集成电路，用户可以通过已知的代工来源来构建它们。在一个非限制性实施例中，电路可以以任何期望的方式布置，并且通常在2.5mm×2mm芯片上具有超过10,000个电路元件。在一个示例中，一个示例性代工厂制造的最小电容电容器是0.2pF，其足够小(且占用空间很小)。这得出以下结论：可以设计这些电容器的阵列，随后是有源整流倍增器电路，以利用当前技术生产发电芯片。这种芯片风险低，成本低，且将有助于我们开发更强大的石墨烯芯片。
此外，如在研究模型中进一步发现的，当电容器与二极管和电阻器一起布置在特定电路布局中时，输出功率被提升超过已知用于奈奎斯特比较的公式。
如图7所示，本公开成功地发展了对奈奎斯特噪声电压的详细物理理解。如最初所预测的，噪声电压随着电容的降低而增加。本公开还示出了当测试电路增加与该系列电容器105A、105B、105C并联的特定电阻值时，噪声功率增加了约十倍。电阻值必须与用于测量噪声功率的电路的电阻相匹配。这一发现的数据如图7所示。这里，源自10pF电容器的噪声电压显示为与10pF电容器并联连接的电阻器的电阻值的函数。当并联电阻为100兆欧时，噪声电压最大。该电阻与测量电路相同。在不并联增加电阻器时，噪声电压下降10倍。没有电阻器就等于增加了非常大的并联电阻。图7中的正方形示出了增加过大电阻的趋势线。
如图8所示，本公开在试验板上测试了三种整流器-倍增器电路拓扑结构，然后使用噪声功率输入源来测试它们。这种拓扑结构被称为差分驱动器、电荷泵和SchottkyCockcroft-Walton。不幸的是，差分驱动器实际上是对信号进行分频，而不是倍增。其他两种拓扑结构使信号倍增，但Schottky Cockcroft-Walton提供最佳性能。18级和24级Schottky Cockcroft-Walton整流器-倍增器电路的增益与输入噪声电压的函数关系如图8所示。当输入噪声电压的rms值为10mV时，输出电压约为五倍大，或50mV DC。在硅晶片芯片中，结果显示输入rms噪声电压为100mV，在这种情况下，输出电压，非常可观，为3.5伏DC。
本公开的图6示出了这里描述的计算机化系统可以与监测或辅助能量收集的设备结合使用。如果需要，可以将新的模型/功能推送到各种服务器和基于云的服务器。
上面以及关于图1至图6描述的实施方式可用于实施计算机化方法的设备，该计算机化方法由电子控制单元(“ECU”)600激活。特别地，所描述的设备(包括用作系统的一部分的计算机)与被配置为处理所接收的电信号的一个或多个特征和/或轮廓的计算机处理器通信。作为示例，并且不将本公开限于任何特定的硬件或软件，图6示出了根据一个实施方式的系统的框图。
ECU 600可以包括计算单元606、系统时钟608、输出模块610和通信硬件612。在其最基本的形式中，计算单元606可以包括处理器604和系统存储器610。处理器602可以是执行传感器系统600的操作所需的算术和逻辑运算的标准可编程处理器。处理器602可以配置为执行在有形计算机可读介质中编码的程序代码。例如，处理器602可以执行存储在系统存储器604中的程序代码，该系统存储器可以是易失性或非易失性存储器。系统存储器604只是有形的计算机可读介质的一个示例。在一个方面，计算单元606可以被认为是集成装置，诸如固件。有形的计算机可读介质的其他示例包括软盘、CD-ROM、DVD、硬盘驱动器、闪存或任何其他机器可读存储介质，其中当程序代码被机器诸如处理器602加载并执行时，该机器成为用于实践所公开主题的设备。
可利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可为计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可为但不限于例如电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、设备或装置，或上述各项的任何合适组合。计算机可读存储介质的更具体实例(非详尽列表)将包括以下各项：具有一条或多条导线的电连接件、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储装置、磁存储装置或上述各项的任何合适组合。在本文的上下文中，计算机可读存储介质可以是能够包含或存储由指令执行系统、设备或装置使用或与其结合使用的程序的任何有形介质。
计算机可读信号介质可以包括其中例如在基带中或作为载波的一部分包含计算机可读程序代码的传播数据信号。这种传播信号可以采取多种形式中的任何一种，包括但不限于电磁、光学或其任何合适的组合。计算机可读信号介质可以是任何计算机可读介质，其不是计算机可读存储介质，并且可以传送、传播或传输由指令执行系统、设备或装置使用或与其结合使用的程序。
体现在计算机可读介质上的程序代码可使用任何适当的介质来传输，该介质包括但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等，或者上述各项的任何合适组合。
用于实施本发明的方面的操作的计算机程序代码可用一种或多种编程语言的任何组合来编写，该一种或多种编程语言包括面向对象的编程语言诸如java、Smalltalk、C++等，以及常规的程序化编程语言诸如“C”编程语言或类似的编程语言。程序代码可完全地在使用者的计算机上执行、部分地在用户的计算机上执行，作为独立运行的软件包部分地在用户的计算机上执行以及部分地在远程计算机上执行或完全地在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况中，可将远程计算机通过任何类型的互联网，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接至车载计算机，或者可连接至外部计算机(例如通过利用互联网服务提供商的互联网)。
这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以引导计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置以特定方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的指令在内的制品。
计算机程序指令也可以加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置上，从而使一系列操作步骤在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行，从而产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的过程。
Claims (21)
1.一种能量收集系统，包括：
DC电压源，其连接到产生AC噪声信号的至少一个电容器；
所述AC噪声信号的选定带宽，其传输通过所述电容器作为第一AC功率信号；和
相应的二极管，其整流所述第一功率信号以用所述第一AC功率信号对正循环存储电容器和负循环存储电容器充电。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述AC噪声信号是热噪声信号，并且所述至少一个电容器是串联连接的多个电容器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述电容器被配置为具有1皮可法拉的存储容量。
4.根据权利要求1所述的系统，其还包括所述第一AC功率信号在所述第一AC功率信号的正循环期间通过正向偏压二极管进行整流，以产生输出功率信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其还包括所述第一AC功率信号在所述第一AC功率信号的负循环期间通过反向偏压二极管进行整流，以产生输出功率信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述二极管被配对为子单元，并且所述子单元连接到正循环金属迹线连接和负循环金属迹线连接，并且所述子单元以与所述正循环金属迹线连接和所述负循环金属迹线连接的相应连接进行重复。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述正向偏压二极管和所述反向偏压二极管连接到Cockcroft-Walton全波整流器和倍增器电路中的附加二极管。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个电容器包括可变间隙电容器，所述可变间隙电容器从所述AC噪声信号产生所述第一AC功率信号，并且从可变间隙电容器放电循环产生第二AC功率信号。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述电容器由所述DC电压源完全充电至稳定状态。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述二极管是基于电导比率选择的，以匹配作为噪声源的所述电容器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述AC噪声信号包括由于通过所述电容器的导电载流子缺陷跳跃而产生的电导率。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述DC电压源提供与所述二极管的导通电压相对应的电压。
13.一种芯片上集成电路，所述电路包括：
至少一个电容器，其连接到所述电路以产生AC噪声信号；
所述AC噪声信号的选定带宽，其传输通过所述电容器作为第一AC功率信号；
相应整流器，其接收所述第一AC功率信号的正循环和所述第一AC功率信号的负循环；
输出端子，其连接到所述相应整流器，并被配置为连接到芯片外电路。
14.根据权利要求13所述的集成电路，其中所述AC噪声信号由环境热能产生。
15.根据权利要求13所述的集成电路，其被配置为连接到所述芯片外电路，所述芯片外电路包括连接到所述多个电容器的DC电压源、用所述第一AC功率信号充电的正循环存储电容器和负循环存储电容器。
16.根据权利要求13所述的集成电路，其还包括第一二极管被配置为所述第一AC功率信号的第一相应整流器，以从所述第一AC功率信号的正循环产生第一输出功率信号。
17.根据权利要求16所述的集成电路，其还包括第二二极管被配置为所述第一AC功率信号的第二相应整流器，以从所述第一AC功率信号的负循环产生第二输出功率信号。
18.一种集成电路，包括：
至少一个电容器，其产生AC噪声信号；
所述AC噪声信号的选定带宽，其传输通过所述电容器作为第一AC功率信号；
相应地正向偏压晶体管和反向偏压晶体管，其整流所述AC噪声信号的对应的正循环和负循环；
输出端子，其连接到所述晶体管，并且被配置为连接到用于从输出信号进行能量收集的芯片外电路。
19.一种组装能量收集电路的方法，包括：
连接所述能量收集电路内的至少一个电容器；
通过以第一电容器极板相对于独立式膜的第一表面具有初始分离距离来限定所述至少一个电容器，在所述能量收集电路中形成电容区域，其中所述独立式膜的第一表面限定第二电容器极板；将所述独立式膜暴露于环境热能，以引起所述电容区域中的电荷积累，所述环境热能也引起热AC噪声信号；
选择所述电容器的电容，以选择传输通过所述电容器作为第一AC功率信号的所述AC噪声信号的带宽；和
整流所述第一AC功率信号以用所述第一AC功率信号对正循环存储电容器和负循环存储电容器充电。
20.根据权利要求19所述的方法，其还包括相对于所述第一电容器极板定位所述膜，使得所述膜不受阻碍并且响应于环境热能自由振动，其中所述膜的振动限定了沿着所述第一表面的周期性纹波形成，并且其中每个纹波形成相对于所述第一电容器极板在波峰与波谷之间交替，以改变可变间隙电容器中的所述初始分离距离。
21.根据权利要求20所述的方法，其还包括使所述电容性区域跨相应整流器放电，以引导积累的电荷，从而将第二功率信号添加到所述能量收集电路。
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