CN1985380A - 小型化压电基的振动能量收集器 - Google Patents

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CN1985380A CNA2004800435578A CN200480043557A CN1985380A CN 1985380 A CN1985380 A CN 1985380A CN A2004800435578 A CNA2004800435578 A CN A2004800435578A CN 200480043557 A CN200480043557 A CN 200480043557A CN 1985380 A CN1985380 A CN 1985380A
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J·蒂森
G·P·奥布里安
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Abstract

本主题公开了用于从环境引发的振动收集动力的器件、系统和方法。公开了单压电体器件和结构可单独用作平衡对结构，或与其它元件相结合来增强单体器件的动力收集能力。根据本主题技术的动力收集器件和系统可作为传感器共同工作在运动敏感应用中，由此提供自供电的监测能力。

Description

小型化压电基的振动能量收集器
技术领域
本发明通常涉及一种用于收集由暴露于主结构的机械能和振动的压电结构产生的能量的紧凑的、小型化的设备和相应的方法。实际上，主结构可对应于任何物理设备，但本技术尤其适合于与传感器应用的集成。
背景技术
在许多传感器应用中，需要动力来操作相关的电子组件，然而由于维持问题、或由于空间和数量限制不能由常规装置例如电池或燃烧过程来提供该动力，其经常是不便的。就此而论，能够实现能搜集环境动力，即存储在局部振动中的动力并将其转换成有用电能的紧凑的、小型化的动力收集系统是有利的。如果产生该动力的相同技术可用作传感器也将是有利的，这是因为这样能够大大简化传感器设计并减小整个封装尺寸。
这种技术的应用可以包括能用在振动机器上的远距离分布的后市场传感器组，以提供用于感知以及例如射频(RF)传输的通信的自供电传感器。这种布置从安装和保持的观点来看是非常方便的。通过采用这种技术，利用不仅独立供电而且独立报告的分布式传感器网络的结构健康监测是可行的。
这种类型的动力收集器件还可用于地球物理探测或用作自然地球物理事件的报警/数据记录器。在探测的情况下，来自能量源例如振动器的振动能量可转换成电能并用于给RF传输数据提供动力。这将简化地震记录装置的分布，因为其将不需要敷设电缆。这种系统还可包括GPS接收器，以便在土地勘测期间从地震检波器布置中去掉勘测的步骤。操作该装置的动力可来自与物理载送该装置和将其配置在勘测点上有关的振动以及由地震波产生的能量。在地球物理事件监测的情况下，地震检波器阵列远程放置在可能事件震中周围并且在发生事件时开始发送信息。通过从传输系统中去掉电池，可以廉价地制备这些传感器。
这种系统还可用作军用或安全应用中的报警器，其中由军用或其它交通工具的振动产生的动力能唤醒传感器并允许发送警告。这种器件还可用于给起搏器或可由佩戴者的运动产生动力的其它入侵式健康监测或健康支持系统提供动力。在所有的这些应用中，振动谱和/或波形的研究还可用于提供关于系统健康的信息或用于识别特定的事件或甚至是特定的交通工具。
另一可能的应用涉及轮胎和用于轮胎的传感器。在许多内轮胎传感器组中，认为需要连续的数据传输。这需要考虑安全和性能原因。例如，虽然温度和压力在正常操作过程期间可能慢慢改变，但内轮胎温度和压力监测的实际优点之一是在它们出现之前警告司机可能的灾难性故障。这种故障事件会以高速非常迅速地发展；因此需要更连续的监测。美国专利No.5,749,984(Frey等人)公开了一种轮胎监测系统和能够将这种信息确定为轮胎监测、轮胎速度和轮胎旋转数的方法。可以在美国专利No.4,510,484(Snyder)中找到轮胎电子系统的另一实例，其涉及异常轮胎状况警告系统。美国专利No.4,862,486(Wing等人)也涉及轮胎电子设备，尤其公开了与汽车用和载重的轮胎相结合使用的示例性转数表。
而且在能使交通工具轮胎用作与许多交通工具控制系统，例如防抱死制动系统(ABS)、转向控制和牵引控制相交互的实时传感器中存在公认的优点。在这种应用中，关键是对信息进行连续地传输，并且具有对相关控制系统的最小时间偏差。这种需要强制考虑连续的数据传输和给连续数据传输设备提供动力的方法。为轮胎电子系统提供动力的典型解决方案对应于使用非可再充电电池，其固有地将不便提供给轮胎使用者，因为正确的电子系统操作依赖于周期性的电池替换。常规电池一般还包含环境不友好且存在废弃关注问题的重金属，尤其是以显著数量使用时。更进一步地，当给以复杂级功能为特征的电子应用提供动力时，电池易于很快耗尽它们的能量储存。电池储存耗尽在以例如从卡车车轮位置到卡车驾驶室中接收器的相对远的距离传输信息的电子系统中尤其常见。在这种考虑下，很明显的是由于许多原因电池是不合需要的。因此本领域中主要发展是寻找从轮胎内在的振动和变形源获取动力的装置。
由集成有轮胎结构的电子系统提供的另一可能的能力相应于对商业车辆应用的资产跟踪(asset tracking)和性能特性。商业卡车车队、飞行器和推土机/采矿车辆都是能利用自供电轮胎电子系统和相关的信息传输的优点的可行的工业。自供电传感器能确定车辆中的每个轮胎都行进的距离，并由此有助于这种商业系统的维护计划。对于例如那些涉及土地-采矿设备的更昂贵的应用而言，可最优化车辆位置和性能。车辆的整个车队能利用RF标记传输进行跟踪，其示例性的方面公布在美国专利No.5,457,447(Ghaem等人)中。
这种集成的轮胎电子系统已经通过多种技术和不同的动力产生系统进行常规供电。用于由轮胎移动产生能量的机械特性的实例在美国专利No.4,061,200(Thompson)和3,760,351(Thomas)中公布。这种实例提供通常不优选为结合现代轮胎应用的大容量的复杂系统。用于为轮胎电子系统提供动力的另一选择公布在美国专利No.4,510,484(Snyder)中，其涉及在轮胎的放射状中心线周围对称配置的压电簧片(reed)电源。
压电材料的某些优点早已被认识到。然而，这种技术在不断改进，因此有可能提供利用具有改进的工作能力的压电材料的应用。在压电技术中最近新发展的实例在美国专利No.5,869,189(Hagood，IV等人)和6,048,622(Hagood，IV等人)中提供，涉及用于结构控制的合成物。目前公布的技术涉及压电技术的进一步发展，使得压电动力产生装置能够为了能量收集的目的被小型化，并且在某些情况下同时用作传感器，并且实质上可以与任何振动产生装置或结构集成为一体以提供自供电系统和装置。
前述美国专利的所有公开都被并入本申请中用作参考。虽然已开发了多种动力产生系统，但没有出现通常包含如在下文中根据主题技术提出的所有所需特性的设计。
发明内容
鉴于所认识的现有技术中遇到的和本主题提出的特征，已开发了用于收集振动能量的改进的器件、系统和方法。利用压电技术将机械应力和与机械引发振动相关的张力转换成电荷，可收集该电荷以给多种设备提供工作功率。
根据所公开技术的某些方面，提供了用于制造这种器件的小型化设备、系统和方法，所述器件能够从对采用该器件的环境而言内在的振动能源产生动力。根据本技术的器件可以以紧凑形式制造，并且其尺度是从中等尺度到微尺度。用于制造本技术的器件的方法与标准CMOS工艺的后端一致，能够使这些动力-收集器直接集成到复杂的CMOS型工艺中以便能够开发芯片上系统。用于制造本技术器件的可选方法还包括精度微加工和铸造。微加工提出了提供这种器件的前景，该器件被小型化到这种程度，即，功率发生器可以用其准备好贴附到封装的集成电路上的方式进行封装。甚至能够将单片动力收集器件和调节线路直接安装到集成电路的管芯上。
根据所公开技术的更具体的方面，本主题的一个方面是提供自供电的电子组件。这种电子组件是通过从集成的压电结构收集能量自供电的，并且与众多电子应用一致。一个示例性电子应用涉及一种轮胎监测系统，其被设计成测量和传送关于轮胎条件例如压力和温度的信息，以及例如轮胎旋转数或通常的轮胎识别信息和变量的其它信息。
本技术的某些示例性电子应用的另一方面涉及地球物理监测系统，其被设计成监测和/或测量由自然出现事件引发的或可由车辆或其它机器的移动引发的地面振动。这种应用可能涉及提供自供电的监测器件，其被设计成监测由地震、火山活动或其它自然出现地质事件引发的地面振动。应用还可能涉及提供自供电的监测器件，用于检测地面和由车辆、机器引发的其它振动、或关于保护、安全或军事关系的活体。
本技术的另一示例性应用的又一其它方面涉及自供电的病人磨损(patient worn)或植入的医用器件。自供电的起搏器和健康监测器件可通过收集由病人/佩带者的运动产生的能量供电。
本主题电子系统和本技术的专用动力-产生器件的多种特征和其它方面提供了多个优点。所公开的技术提供了不依赖于电池替换的自供电电子系统。尽管电池和电池工作器件仍可与本主题的多个方面结合，但根据本技术消除了关于由电池单独供电的电子器件的许多复杂性。
本主题的另一方面是关于能够通过由本技术提供的动力源进行工作的电子设备的类型和数量存在更少的限制。由常规方法而不是根据所公开的压电技术供电的电子设备一般限制于超低功率器件。根据本公开技术的器件不必受到这种极端的功率限制。当可能利用更多组件和/或更高级设备时，本公开技术的这个方面进一步便于自供电电子设备更强大的功能性。
本主题的另一方面是可以根据多种现有应用使用所公开的用于产生功率和利用这种功率的系统和方法。测量能力、监测和警告系统、车辆反馈系统和资产跟踪潜力可用于例如商业卡车车队、飞机和采矿/推土机设备的应用。
在本主题的一个示例性实施例中，压电基振动能量收集器由一对彼此相对布置的单压电体(piezoelectric unimorph)形成，该对单压电体单独双倍结合到相对束并共用公共检验块。
在本主题的另一示例性实施例中，压电基振动能量收集器通过将多个网络状单体(unimorph)结合在共用的检验块的每一侧上形成。该结构提供了用于检验块的更多稳定性，同时，使聚集的振动能量收集量加倍。
本主题的其它实施例对应于通过将运动敏感电子组件与基本的压电基振动能量收集器相结合而用于增强的能量收集的方法。这种运动敏感电子组件可包括电容器、磁感应器件和压电器件。
本主题的另一实施例对应于通过使用利用双作用技术的机械的、电的或电磁的弹簧而用于耦合能量的方法。
最后，本技术的其它实施例对应于以平面形式实施本技术的方法，该平面形式适用于利用微加工技术、光刻技术、剥落工艺和晶片键合技术的制备。
本主题的其他方面和优点被提出，或通过此处的详细描述这些方面和优点对本领域普通技术人员而言是显而易见的。而且，应当进一步意识到，对这里特别示出的、涉及的和论述的特征和步骤的修改和改变可以在本发明的多种实施例和使用中进行实践，而不背离本主题的精神和范围。改变可包括、但不限于那些示例的、引用的或论述的等效方式、特征或步骤的代替物，以及功能的、操作的或位置反转的多种部件、特征、步骤等。
进一步地，要理解，本主题的不同实施例以及不同的优选实施例可包括目前公开的特征、步骤或元件的多种组合或结构，或它们的等效物(包括未清楚地示于图中或在图的详细描述中陈述的其特征、部件或步骤或结构的组合)。在该概括部分中不必明确表达的本主题的其他实施例，可包括和并入在以上所概括目的中引用的特征、组件或步骤和/或在本申请中论述的其它方式的其它特征、组件或步骤方面的多种组合。在阅读说明书剩余部分的基础上，本领域的普通技术人员将更好地意识到这些实施例的特征和方面以及其它。
附图说明
在本说明书中提出了本主题的全面的和允许的公开，包括对于本领域普通技术人员最好的模式，说明书参考附图，其中：
图1(a)和1(b)分别是示例本主题的工作特性的双箝位单压电体(unimorph)布置的松弛和变形(strained)结构关系的表示；
图1(c)是图1(a)和1(b)中所示例的结构的平面图表示；
图1(d)示例了根据本技术的双作用能量收集器的第一示例性实施例；
图2(a)示例了根据本主题的多个单压电体的示例性网络状布置的平面图；
图2(b)示例了图2(a)中所示例的网络状布置的侧视图；
图3(a)和3(b)分别是示例本技术的工作特性并包括改进的能量收集的电容性元件的双箝位板状单压电体布置的松弛和变形结构的表示；
图3(c)示例了采用根据本技术的压电和电容性元件的第三示例性双作用能量收集器系统；
图4(a)和4(b)示例了根据本技术并采用适应检验块加速的弹簧效应的双作用能量收集器的第四示例性实施例；
图5(a)、5(b)和5(c)示例了具有可选电容性能量收集元件的双作用能量收集器的第五示例性实施例；
图6(a)和6(b)分别示例了本技术的第六示例性实施例的平面图和截面图，其示出了适用于微电子机械系统中实施的平面状结构；和
图7示例了同样证明双作用能力的本技术的第七示例性实施例。
重复使用贯穿本说明书和附图的附图标记指的是代表本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
如在本发明部分的发明内容中所论述的，本主题尤其涉及用于收集利用压电器件的机械振动产生的能量的改进系统和方法，以给多种电子系统提供工作动力。
参考图1(a)、1(b)和1(c)，示例了一种根据本主题的动力收集器10的第一示例性实施例的基本结构。所示例的是一种双钳位单压电体20，其对应于结合到弹簧30上的一层压电材料32，该组合由一对与可以是陶瓷晶片的支承结构54有关的支承弹簧50、52支承。压电材料32示例为与弹簧30共同扩张，然而当压电材料32可对应于比刚刚示例的更小的面积时这样是不需要的。压电材料32可对应于压电单晶体、锆钛酸铅(PZT)、钛酸锆酸镧铅(PZLT)或具有压电性质的其它材料。弹簧30对应于非压电材料并可包括如黄铜、镍Ni、镍钛NiTi合金、弹簧钢、铁镍FeNi合金等材料。应当清楚地明白，本技术可用的单压电体的组件的实际形式不是本主题的限制因素，而是当这种单压电体涉及动力收集结构时本主题主要与这种单压电体的多种布置有关。应当进一步注意到，出于本公开的目的，认为术语“单压电体”和“单体”是同义的。
继续参考图1(a)，示例了动力收集器10的松弛态，而图1(b)示例了出于其偏斜或变形状态的动力收集器10，由施加到检验块40并因此到单压电体引发的振动力引起状况。在其松弛态，动力收集器10的每个组件都采用中性状态。支承弹簧50、52是直的，对支承弹簧30不产生力，同时支承弹簧30采用直线的、或如所示的略弯曲的中性力位置。
当动力收集器10如图1(b)所示发生变形时，该变形以与压电器件制造和设计领域普通技术人员公知的方式引发单压电体20中的电荷分离。另外，作为由检验块40将力施加到易于产生试图将系统返回到图1(a)所示的松弛位置的回复力的位置中的结果，支承弹簧50、52以及弹簧30被弯曲。持续的外部引发的振动易于导致系统在图1(a)的松弛位置和图1(b)的变形位置之间交替，由此在压电元件32上产生应力并随即产生能量。
单压电体20可对应于单晶单体或可利用来源于南卡罗来纳的克莱姆森的克莱姆森大学的1993“RAINBOW”教导的氧化还原技术进行制备，该制备技术已在由Lang和Li在Korean Physical Society杂志、第32卷、1998年2月的论文“Rainbow Ceramics：Processing Techniques；Piezoelectric，Dielectric and Pyroelectric Properties；and PolarizationDistribution as Determined with SLIMM”中进行了描述，出于多种目的将其并入本文。
图1(d)示例了根据本技术的双作用动力收集器60的第一示例性实施例。双作用动力收集器60组合了图1(a)和1(b)中所示的松弛和变形结构关系的属性。尤其是，图1(d)中所示的双作用动力收集器60借助公共检验块40将两个动力收集器20、20′耦接在一起，其一个可处于松弛状态，而另一个可处于变形状态。动力收集器20、20′分别由在使所收集能量的量加倍的结构中以彼此机械相反的支承弹簧50、52和50′、52′支承。
本主题的一个显著方面涉及描述为“平衡相对”的概念。动力收集器20、20′耦合至公共检验块40，以便当检验块位于其行进的中点时，由动力收集器对放置在公共检验块40上的力基本相等。轻微的不平衡示于图1(d)中，小量的变形示于能量收集器20′的轻微弯曲的支承弹簧50′、52′中，而相对的能量收集器20的支承弹簧50、52是松弛的，如它们的直结构所示。
平衡布置的一个优点在于可以使用随着环境引发的脉冲(impulse)而来的小且不稳定的振动来产生近乎连续的能量流。利用在此描述的所有实施例这种布置能够得到有益使用，尤其是如果将能量收集器设计成在将寄生的振动能量转换成电能的系统的主要谐振(resonance)处或附近工作。采用有助于系统宽带能量收集能力的低弹簧常数支承结构可进一步增强这种设计。
图2(a)是根据本主题的动力收集器的第二实施例的平面图，而图2(b)是根据本主题的动力收集器的第二实施例的侧视图，其中多个网络状单压电体20借助于支承元件55耦接至公共检验块42。多个单体的这种网络状结构不仅提供了显著的更高的能量收集能力，而且提供了检验块42的改进的机械稳定和更大的系统设计灵活性。
图2(b)中所示的本主题的实施例代表与图1(d)的实施例相似的双作用系统。然而，图2(b)实施例的另一个重要方面在于，当检验块42位于其行进的中点时，以将单体(unimorph)放置在平衡位置、也就是具有几乎相等的力的这种方式，使两组单体位于检验块42的任一侧上。如同图1(d)中所示的本技术的实施例那样，该实施例还在平衡状态下工作，以便可以使用随脉冲而来的小且不稳定的振动来产生几乎连续的能量流。
随着足够大以在单体20的一个中产生偏斜的脉冲之后，在用于驱动检验块42并使构成相对组单体的单体偏斜的相对单体组中的一个中产生承载弹簧效应(loaded spring effect)。由于系统几乎平衡的状态，只需要提供用于克服检验块惯性的足够的额外振动能量来保持这种系统振荡。根据本主题的这种形式的动力收集器尤其有利之处在于，可以将该布置设计成在系统的主要谐振处或附近工作，动力收集器80由所述系统将寄生的振动能量转换成电能。而且，通过提供低弹簧常数支承，提供了宽带能量收集能力。
现在将参考图3(a)、3(b)和3(c)描述本主题进一步的实施例。更具体地，如在前所提及的，通过根据本主题的器件和系统的工作从环境引发的振动收集能量的一个机构包括在对应于单结构的有源部分的压电材料内变形产生的电荷分离。已经发现可利用电容性效应收集另外的能量。此外，在图3(a)、3(b)和3(c)中所示的结构中，提供一个或多个电容电极80、82，并如所示的，以形成单独电容的电极相对于板状单体的移动相互移动的这种方式，电容电极80、82被耦接至一个或多个板状单体和单体支承结构。
尽管图3(a)、3(b)和3(c)中所示的单体被示为板状单体，但应当意识到，单体22仍然可以实施成其它结构。例如，除所示的板状结构外，单体可实施为如同在前具有共同扩张的压电部分或压电部分小于支承的实施例那样的束状单体或盘状单体。
具体参考图3(a)和3(b)，将进一步说明图3(c)中所示的本技术的实施例的工作概念。如图3(a)和3(b)中所示的，示例了借助支承弹簧元件57将板状单体22连接到支承结构54′。如关于图1(a)-1(d)中所示的实施例在前应注意到的，支承结构54′可以是陶瓷晶片或任何其它适合的支承结构。耦接至单体22的一个表面的是检验块48，而电容器的一个电极80被连接至单体22的另一侧。电容器的第二电极82被连接到支承结构54′。如图3(a)和3(b)中所示的，当单体22在检验块48的影响下弯曲时，电容器电极80和82相对于彼此移动。
在该结构中，当电荷随着压电材料变形而分离时，电荷转移到电容的相对电极。当变形的单体松弛时，它使电容器电极分别增加所存储电荷的能量。利用耦接至单体和电容器组合的适当的调节线路，可以使用该组合的器件来产生电荷，并且当形成带电电容器的板80、82与单体的移动有效分离时，同时通过提取另外的能量增加其能量。
图3(c)示例了本主题的双作用结构的示例性实施例，其采用图1(d)和2(b)中所示的本主题板状单体反射的实施例，但包括直接对应于关于图3(a)和3(b)在前描述的功能等效元件的电容性元件80、82、80′和82′。从关于图1(d)和2(b)在前论述的双作用结构得出的有利方面也可从图3(c)所示的本主题的示例性实施例得出，由于另外的电容性元件其具有另外的能量收集能力的附加增强。
这里应当注意，电容性元件由于它们的运动敏感工作特性部分而能够部分地参与另外能量的收集。然而，本领域普通技术人员可容易实现使用其它类型的运动敏感元件。例如，电容器板可由线圈和磁布置结构代替，以便检验块相对于支承结构的的移动将导致永久磁铁移入和移出线圈。很清楚采用这种移动来收集另外的能量。以相似的方式，另外的压电元件可以安装在移动的检验块和固定的支承结构之间，以允许压电元件随着检验块移动而弯曲。仍旧可通过这种结构收集另外的能量。
图4(a)和4(b)示例了与在前提出的实施例类似的本主题的另一个示例性实施例，相似之处在于这些实施例也是双作用的，但不同之处在于单压电体被配置成在不同程度的弯曲之间转变，而是在凹和凸形式之间来回转变，如通过在前描述的图1(a)、1(b)、3(a)和3(b)与当前示例的图4(a)和4(b)相比所容易看到的那样。图4(a)和4(b)中所示的本主题的实施例采用成对的弹簧28、28′，两者都偏置成有变平的倾向，并且在弹簧28、28′上面分别安装一对压电器件130、130′，由此形成相对的一对单体。如此形成的一对相对的单体在其中心点处共同耦接至检验块120。弹簧28、28′中每一个的末端安装在滑动支承112、112′上，滑动支承112、112′还耦接一对弹簧110、110′。
如图4(a)所示，弹簧110、110′被偏置成使弹簧28、28′的末端向彼此拖拉以便平衡由弹簧28、28′和弹簧100、100′组成的整个系统，从而使公共耦接的检验块120呈现中心、中立的状态。一旦出现外部引发的振动，检验块120就可在所示箭头的方向上移动，以允许弹簧28′移动到优选的延伸(更接近平坦)位置，同时迫使弹簧28达到所示的更压缩的姿势。当弹簧28、28′弯曲时，连接的压电器件130、130′同时弯曲，并由此产生可经由适当的电子线路(未示出)收集的能量。这种设计的一方面是压电器件130、130′安装于其上的弹簧28、28′不再单独确定器件的机械响应。该结构的另一方面来自于以下理解，即，如相对于所示的简单机械弹簧，可提供用于平衡弹簧28、28′的弹力的弹簧100、100′作为电的、磁的或电磁的器件。如同在前实施例一样，与使用低弹簧常数弹簧耦接的双作用元件的“平衡相对”，提供了宽带能量收集能力。
图5(a)、5(b)和5(c)示例了本主题的双作用结构的另一个实施例。在该实施例中，各具有分别安装于其上的压电器件210、212、214、216的两对弹簧200、202和204、206以与公共检验块230平衡相对结构的方式进行配置。如图5(a)所示，如参考图4(a)和4(b)在前论述的弹簧28、28′那样，偏置弹簧200、202和204、206中的每一个都被偏置成倾向于平坦位置。如所配置的，当弹簧200-206安装在与框架220有关的检验块230和各个支承元件222、224之间时，弹簧200-206中的每一个都被轻微压缩。
一旦由外部引发的振动能量的施加引起检验块230的移动，检验块230将如图5(b)和5(c)所示来回振荡，导致弹簧对200、202和204、206轮流压缩和释放。记住，这些弹簧的每一个都已经安装在压电器件(未示于图5(b)和5(c)中)上，可基于它们与它们的支承弹簧同时出现的弯曲和压电器件由这种弯曲产生的电荷，通过这种压电器件从引发的振动收集能量。仍旧利用增加适合的电子线路，可容易地收集这种能量，如所希望的那样。
在图5(a)-5(c)中所示的还有安装在支承结构222、224和检验块230上的导电元件240、242、244和246的任选内含物。这些元件组合以形成以与在前论述的本主题的实施例相似的方式使用的电容器，以有助于通过带电电容器中电极的强迫分离收集另外的能量，从而从此处收集能量。
如在前注意到的，可以采用其它类型的运动敏感电子组件代替所论述的电容器元件。例如，电极板242、246可用永久磁体代替，而电极板240、246用导电线圈代替，所述导电线圈可配置成使得永久磁体移入和移出导电线圈以产生另外的能量。还可预计运动敏感元件的其它结构包括另外的压电元件，其被配置成随着环境引发的检验块振动而弯曲。
图6(a)和6(b)分别示例了本主题的示例性平面状实施例的平面图和截面图。在该示例性实施例中，镜像互相交叉梳状结构产生双作用，“平衡相对”结构被布置成使得每个互相交叉梳状结构400的一半在检验块440的影响下朝着由框架420保持在适当位置的梳状结构的固定部分410移动和远离所述固定部分410。固定到框架420的支承元件430支承每个梳的可移动部分400。另外，检验块440可提供有压电层，以基于可移动梳状元件的移动产生电荷。在该实施例中，可使用由梳状结构的平坦表面形成的电容器的板来增加由压电层产生的电荷的能量。这种能量的增加将随着弹簧和/或振动能量使板分开而出现。
与利用用于微电子机械系统(MEMS)类型应用的许多薄膜压电材料相关的问题之一是压电薄膜沉积工艺与硅器件工艺的不相容性。这些缺陷中的一些包括硅(Si)扩散到压电膜中，其损害了膜还原(filmreducing)或破坏压电性质和沉积的高温，所述沉积的高温需用于产生具有可接受的压电功能的薄膜，这样的温度与后端硅器件制造工艺的热预算(budget)不相容。
基于用于MEMS应用的压电膜的器件的其它缺陷包含蚀刻选择性和布图。这些问题使得这种器件的实现复杂而昂贵，一般需要使用特殊(exotic)材料系统和子标准(son-standard)制造工艺。压电薄膜的另一问题是大部分沉积技术产生多晶层，其与单晶压电材料相比具有降低的电和机械性能。使用压电薄膜的决定性缺陷是膜通常是机械易碎的事实。另一方面，MEMS器件经常被设计用于相当大的应力。基于这些考虑，对能够克服这种器件中的应力限制的制备方法进行考虑是有利的。
为了解决这些问题，本主题公开了一种方法，由此这种器件可利用标准的湿法化学蚀刻、标准的光刻技术、标准的剥落工艺和标准的晶片键合技术来实现。该技术还提供了制备机械有利的单晶/金属单体的可能性，具有引发内应力以机械地增强压电层的热膨胀系数(CTE)。这种方式的压电层机械增强能够使它们经受得住大的机械偏斜。
现在参考图7，其示例了本主题的另一个双作用实施例。在图7所示的实施例中，示例了由弹簧700、720和740组成的三个单体，每个具有分别固定到弹簧700、720和740上的压电器件710、730和750。弹簧700和720固定在一端并由支承元件770支承，而弹簧740由弹簧700和720的每个的相对末端支承。在邻接弹簧700和720的位置将另外的支承元件780、790固定到支承件770上，如分别所示的，使得由弹簧700、720由于它们的自然趋向于伸直而产生的力将沿着弹簧740中心部分的长度和方向转变成横向力。没有支承结构780、790，弹簧700、720将简单变直并垂直移动弹簧740进一步高于支承元件700。由于弹簧740自然趋向于伸直，其提供了向外的趋向于反作用由弹簧700和720产生的内力的平衡力。
将检验块800固定到弹簧740的下侧。以该方式，环境引发的振动将趋向于迫使弹簧740朝着支承元件770向下，不仅导致连接的压电元件750弯曲，而且产生弹簧700、720以及它们相关的压电元件710、730的弯曲。于是可采用连接至三个压电元件的适当配置的线路，以通过由三个压电元件710、730、750的弯曲收集电荷而从环境引发的振动收集能量。
如同在前示例的实施例，图7中所示的实施例可选地包括分别连接到检验块800和支承件770的电容器形成的电极810、820，如所示的那样。可用与在前描述的与压电元件的功能相一致的方式使用这种电极，以提供增强能量收集的能力。应当记住，可采用包括线圈和磁体结构以及其他压电元件的其他技术来代替电容器形成的元件810、820以帮助收集由环境引发的振动而来的其他能量。
虽然已关于其具体实施例详细地描述了本主题，但本领域技术人员将意识到，一旦获得前述的理解就容易产生对这种实施例的改变、变形和等效物。因此，本公开的范围是示例性的，而不用于限制，并且该主题公开不排除包含对本领域普通技术人员而言显而易见的本主题的这种修改、变形和/或附加。

Claims (18)

1.一种能量收集设备，用于收集环境固有振动能量并将该振动能量转换成电能，包括：
单压电体；
支承结构，其固定所述单压电体的至少一部分防止沿着至少一个轴的相对运动；和
检验块，其耦接至所述单体的第二部分；
由此环境固有振动能量产生检验块的移动和随之而来单压电体的移动，由此通过所述单压电体产生电能。
2.如权利要求1所述的能量收集设备，进一步包括：
耦接至所述单压电体中的一个的至少一个运动敏感电气元件和用于增强所述能量收集设备的能量收集能力的所述检验块。
3.如权利要求2所述的能量收集设备，其中运动敏感电气元件包括电容器，由此所述电容器的电容量值依赖于环境固有振动能量的变化。
4.如权利要求2所述的能量收集设备，其中支承结构包括低弹簧常数弹簧元件。
5.如权利要求2所述的能量收集设备，其中运动敏感电气元件包括机械地耦接至所述单压电体的至少一个第二单压电体。
6.如权利要求5所述的能量收集设备，其中所述至少一个第二单压电体相对于所述单压电体被机械耦接，由此产生双作用能量收集设备。
7.如权利要求5所述的能量收集设备，其中所述单压电体和所述至少一个第二单压电体两者都包括网络状连接在一起的多个单压电体。
8.如权利要求5所述的能量收集设备，其中所述至少一个第二单体与所述单压电体一起机械耦接至所述检验块。
9.如权利要求8所述的能量收集设备，其中所述单压电体和所述至少一个第二单压电体每个都具有第一和第二相对的末端部分，并且所述能量收集设备进一步包括：
一对弹簧元件，各自耦接至所述单压电体和所述至少一个第二单压电体的所述相对的末端部分；和
其中所述支承结构允许所述单压电体和所述至少一个第二单压电体的两个末端部分在至少一个公共轴上相对运动。
10.如权利要求1所述的能量收集设备，其中所述单压电体和所述支承结构在公共平面上被对准。
11.如权利要求3所述的能量收集设备，其中所述单压电体、所述支承结构和所述电容器在公共平面上被对准。
12.如权利要求11所述的能量收集设备，其中所述电容器包括一对平面的互相交叉的梳状电极。
13.一种双作用能量收集设备，用于收集环境固有振动能量并将该振动能量转换成电能，包括：
第一和第二对束状单压电体，每对单体的每个单体具有第一末端和第二末端；
纵向延伸的检验块；和
支承框架，其围绕所述第一和第二对束状单压电体和所述纵向延伸的检验块，
其中第一和第二对单体的每个单体的第一末端固定到所述检验块的相对侧，并且第一和第二对单体的每个单体的第二末端固定到所述支承框架。
14.如权利要求13所述的用于收集环境固有振动能量并将该振动能量转换成电能的双作用能量收集设备，进一步包括：耦接至所述检验块和所述支承框架的至少一个运动敏感电气元件，由此所述运动敏感电气元件与所述第一和第二对单体共同协作以帮助收集能量。
15.如权利要求14所述的用于收集环境固有振动能量并将该振动能量转换成电能的双作用能量收集设备，其中所述运动敏感电气元件包括电容器。
16.一种双作用能量收集设备，用于收集环境固有振动能量并将该振动能量转换成电能，包括：
纵向延伸的支承结构；
第一和第二束状单压电体，每个束状单压电体具有第一末端和第二末端，每个单压电体的第一末端固定到所述纵向延伸的支承结构；和
第三束状单压电体，所述第三束状单压电体耦接至所述第一和第二束状单压电体的每一个的第二末端。
17.如权利要求13所述的用于收集环境固有振动能量并将该振动能量转换成电能的双作用能量收集设备，进一步包括耦接至所述第三束状单压电体和所述纵向延伸的支承框架的至少一个运动敏感电气元件，由此所述运动敏感电气元件帮助收集环境固有振动能量。
18.如权利要求14所述的用于收集环境固有振动能量并将该振动能量转换成电能的双作用能量收集设备，其中所述运动敏感电气元件包括电容器。
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