JP2010522438A - パラメトリック曲げモードエネルギー収穫を組み込む圧電型振動エネルギー収穫システム - Google Patents

パラメトリック曲げモードエネルギー収穫を組み込む圧電型振動エネルギー収穫システム Download PDF

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Abstract

共振梁を含む振動エネルギー収穫（ＶＥＨ）構造は、それぞれ基本共振周波数およびパラメトリックモード周波数を有し、その梁の基本共振の励振およびパラメトリックモードの励振のそれぞれに応答して電荷を発生するための、少なくとも１つの圧電層を含む共振梁を含む。回路が、共振梁から電荷を収穫するために備えられる。いくつかの実施形態においては、ＶＥＨ構造の効果的帯域幅を増加させるために、梁のパラメトリックモード周波数は、その基本共振周波数に近接するようにチューニングされる。ＶＥＨ構造の効果的帯域幅は、複数のパラメトリックモード可能な共振梁のうちの複数の共振梁を、わずかに異なる基本共振周波数およびパラメトリックモード周波数にチューニングすることにより、さらに増加させることができる。
【選択図】図７

Description

本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、２００７年３月２１日に出願した「ＭＥＭＳ−Ｂａｓｅｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｓｃａｖｅｎｇｅｒ」と題する米国特許仮出願第６０／８９６，０７７号の優先権を主張するものである。
本発明は、一般に振動エネルギー収拾の分野に関する。より詳細には、本発明は、パラメトリック曲げモードエネルギー収穫を組み込む圧電型振動エネルギー収穫システムに関する。
この四半世紀にわたって、集積回路（ＩＣ）の集積度は大幅に増加してきた。同時に、ＩＣのフィーチャサイズは、それに対応して著しく減少してきた。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）ゲートの幅は、現在およそ４５ｎｍであり、２０１０年には１８ｎｍになるものと推定される。これは、人の髪の毛の幅の５００分の１より小さい。ＩＣ構成要素は、サイズが大幅に縮小しただけでなく、電力消費も低下した。ＩＣは通常、２つのｎ−ＦＥＴおよびｐ−ＦＥＴデバイスからなるＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）回路を使用して作製される。ＣＭＯＳ回路は、ｎＭＯＳだけまたはｐＭＯＳだけの回路よりもずっと少ない電力を消費する。
ＩＣのサイズおよび電力消費の両方の縮小が、ほんの１０年前には利用できなかった無線ＩＣ技術を、最近の急増へと導いた。今日、ごくわずかの名前をあげると、ラップトップコンピュータ、携帯電話、ＭＰ３プレーヤ、スマートホン、電話用ヘッドセット、ヘッドホン、ルータ、ゲーム用制御器、移動式インターネットアダプタ、およびスパイカメラを含む、低電力無線回路を使用する多様な装置が存在する。もちろん、これらの装置のそれぞれは、動作するために、ある種の独立型電源が必要である。通常は、これらの装置用の電源は電池であり、多くの場合、交換可能な電池である。
目下大いに注目されている、すなわち多くの研究の目標となる無線技術分野は、無線センサネットワークの分野である。実際、研究者達は、無線センサネットワーク（ＷＳＮ）の広範囲に及ぶ採用を含む将来を想像している。ＷＳＮにおいては、測定データを中央ハブに中継するアドホックネットワークまたはメッシュを形成するために、無線センサが、特定の環境全体にわたって分配される。特定の環境は、数ある中でも、自動車、航空機、工場、およびビルディングのうちの任意の１つであってよい。ＷＳＮは、短距離のマルチホップ送信を使用して動作する数個から数万個の無線センサノードを備える。各無線ノードは、一般に、センサ、無線電子機器および電源を含む。その結果、環境の条件、およびもし存在する場合は居住者に応答する知的環境が創出される。
無線センサノードは、上述の他の無線装置と同様に、そのノード上の電子機器に電力を供給するためのある種の独立型電源が必要である。リチウムイオン電池、空気亜鉛電池、リチウム電池、アルカリ電池、ニッケル・水素電池、およびニッケルカドミウム電池など、従来型の電池が使用できる。しかし、そのような電池の一般的な寿命を超えて機能を果たすように設計された無線センサノードに対しては、ある時期にその電池は交換されなければならないであろう。このことは、電池を廃棄する必要性は言うまでもなく、懸案のノードの数およびそれらのノードへの接近のし易さに応じて、重大な問題および多大の費用を生じる可能性がある。したがって、超小型の燃料電池など、定期的な手入れが必要な電池および他の種類の電源の代替物が、多くのＷＳＮに対して望ましい。
そのような代替独立型電源は、典型的には、無線センサノードの周囲環境からエネルギーを収拾（すなわち「収穫」）することに依存するであろう。例えば、無線センサノードが十分な光にさらされる場合は、代替独立型電源は、光電池または太陽電池を含むことができる。あるいは、無線センサノードが十分な空気の流動にさらされる場合には、代替電源は、流動する空気から電力を収穫するための超小型タービンを含むことができる。また、他の代替独立型電源は、温度変動、圧力変動、または他の環境的影響をベースにすることも可能であろう。
しかし、周囲環境が、特定の無線センサノードに給電するために十分な電力を供給するための、十分な量の光、空気流動、温度変動および圧力変動を含まない多くの例が存在するであろう。しかし、センサノードは、例えば、そのノードを支持する構造、またはそのノードが取り付けられている構造から生じる、比較的予測可能な、かつ／または一定の振動の影響を受ける可能性がある。この場合は、振動エネルギーを電気エネルギーに本質的に変換する振動エネルギー収拾器（または収穫器）を使用することができる。
特定の種類の振動エネルギー収穫器は、周囲の振動（駆動力）により梁の共振が生じている間に引っ張られるときに電荷を発生する圧電材料を組み込む共振梁を利用する。多くの従来の圧電型振動エネルギー収穫器（ＰＶＥＨ）の１つの欠点は、それらが、高い品質係数（Ｑ）を有する、ほとんど減衰されない装置であることである。したがって、それらは、振動周波数の非常に狭い帯域幅でしか効果的でない。このことは、無線センサノードが、ＰＶＥＨのチューニングを変化させる温度変動の影響を受ける場合、周囲の振動の周波数が徐々に変化する場合、およびＰＶＥＨを作製するために使用される製造方法が、ＰＶＥＨの完成品チューニングにおいて変動を発生させる場合など、様々な状況のうちのいずれか１つまたは複数の状況のもとで問題となる。
本発明の一実施は、振動エネルギー収穫器である。振動エネルギー収穫器は、横断面特性と、第１の曲げ方向における基本共振周波数と、前記第１の曲げ方向に直交する第２の曲げ方向におけるパラメトリックモード周波数とを有する共振梁を含み、前記断面特性は、前記基本共振周波数を第１の所望の周波数にチューニングしかつ前記パラメトリックモード周波数を第２の所望の周波数にチューニングするように選択され、前記共振梁は、前記第１および第２の曲げ方向のそれぞれにおける前記共振梁の曲げに応答して電気エネルギーを発生させるための圧電材料を含む。
本発明の別の実施は、振動エネルギー収穫ユニットである。振動エネルギー収穫ユニットは、互いに電気に接続された複数の圧電型振動エネルギー収穫（ＰＶＥＨ）モジュールを含み、前記ＰＶＥＨモジュールのそれぞれは、基本共振の励振およびパラメトリックモードの励振のそれぞれからの電荷を収穫するようにそれぞれ構成される複数のパラメトリックモード可能なＰＶＥＨ梁を含む。
本発明のさらに別の実施は、無線センサである。無線センサは、データを収集するための変換器と、データを無線センサから離隔された受信機に送信するための無線送信機と、前記変換器および前記無線センサのそれぞれと電気的に通じるパラメトリックモード可能な（ＰＭＥ）圧電型振動エネルギー収穫（ＰＶＥＨ）電源とを含み、前記ＰＭＥ ＰＶＥＨ電源は、使用中に前記変換器および前記無線送信機に給電するのに使用するための電力を発生するために、使用時に無線センサの周辺の環境中の振動エネルギーを収拾するように構成される。
本発明を図示するために、図面は、本発明の１つまたは複数の実施形態の態様を示す。しかし、本発明は、図面で示す詳細な構成および手段に限定されないことを理解されたい。
本開示の概念により作製される圧電型振動エネルギー収穫器（ＰＶＥＨ）ユニットの一例の等角図である。 パラメトリックモード可能な（ＰＭＥ）ＰＶＥＨ梁の複数の群を示す、図１のシステムのＰＶＥＨモジュールのうちの１モジュールを示す拡大された平面図である。 図１のＰＶＥＨモジュール３個が互いに接着される直前の構成を示す、拡大された部分断面分解図である。 図２Ｃは、完成した積層体の中で互いに接着された、図１の上部６個のＰＶＥＨモジュールの拡大された部分断面図である。 従来の実施を使用して作製される片持ち梁式ＰＶＥＨ梁に対する典型的な周波数スペクトル（電圧対周波数）のグラフである。 本開示の概念を使用して作製される１組の片持ち梁式ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁に対する周波数スペクトル（電圧対周波数）のグラフであって、異なる梁の周波数スペクトルに対する異なる幅対厚さ比の効果を示すグラフである。 群がわずかに異なる周波数にチューニングされている３群のＰＭＥ梁を含むＰＶＥＨモジュールに対する周波数スペクトル（電圧対周波数）のグラフである。 本開示の概念により作製されるバイモルフＰＭＥ ＰＶＥＨ梁の拡大された長手方向の断面図である。 図６の線７−７に沿った断面図である。 本開示の概念により作製される単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁の横断面図である。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる製作工程の一段階を示す構成図であり、完成された梁に関する長手方向の断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる代替の段階を示す構成図であり、完成された梁に関する横断面図および横断面図を含む。 単形ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を作製するために使用することができる代替の段階を示す構成図であり、完成された梁に関する横断面図および横断面図を含む。 本開示の概念により作製される無線センサの概略／構成図である。 ネットワーク内の各搭載センサおよび各通信手段に給電するためにＰＭＥベースの電源をそれぞれ利用する無線センサのネットワークのブロック図である。
次に図面を参照すると、図１は、本開示の概念により作製される圧電型振動エネルギー収穫器（ＰＶＥＨ）ユニット１００の一例を示す。当業者には理解されるように、そのようなＰＶＥＨユニットは、そのＰＶＥＨユニットが搭載されるかさもなければ設置される周囲環境の中で収拾される振動エネルギーから、電力を発生させるために使用することができる。図示された図１のＰＶＥＨユニット１００はマイクロスケール・サイズレジームであり、この特定の例では、各低縁部が約７．５ｍｍで高さが１３．５ｍｍの概略直方体であるが、本開示の概念により作製される他のＰＶＥＨユニットは、当業者には容易に理解される製作技術を使用して、メソスケール・サイズレジームなど、別のサイズレジームで代わりに構成することができる。代表的なＰＶＥＨユニット１００のサイズ故に、それが、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）製作技術を使用して作製できることは、当業者には認識されよう。ＭＥＭＳ製作技術の例は、図９Ａ〜図９Ｐおよび図１０Ａ〜図１０Ｂに関連して以下に説明する。
ＰＶＥＨユニット１００など、本開示の概念により作製されるＰＶＥＨユニットは、とりわけ、物理的に接近できないこと、電力線の敷設または電池交換が実施できないこと、代替電源が利用できないこと、およびコストなど、様々な理由のうちの任意の１つまたは複数の理由によって、給電に使用される装置（device）が内蔵型であることが要求されるかまたは所望される用途に、限定的ではないが特に適する。本開示の広範な概念を実施することから恩恵を受けることができる用途のすべてを列挙することは実際的ではない。しかし、無線センサネットワークは、目下、本技術の重要な目標用途であるので、本開示は、無線センサにおいて、また、そのような無線センサを含むセンサネットワークにおいてこれらの概念を実施する例を含む。とは言っても、無線センサネットワークが、本明細書の中で開示される広範な概念に対する唯一の可能性のある用途では決してないことは、当業者には容易に理解されよう。
引き続き図１を参照し、また高いレベルの図２Ａを参照すると、この例のＰＶＥＨユニット１００は、１６個のＰＶＥＨモジュール１０４Ａ〜１０４Ｐを含む（それらのうちの１つであるモジュール１０４Ｃを図２Ａで詳細に示す）。モジュール１０４Ａ〜１０４Ｐは、同様のＰＶＥＨ梁の複数の群を含む同じ全体構成を共有し、ある群の梁のすべては同じにチューニングされ、梁のチューニングは群の間で異なる。このことは、８つの同等にチューニングされたＰＶＥＨ梁２０４Ａ〜２０４Ｆ（この例では片持ち梁）をそれぞれ含む６つの群２００Ａ〜２００Ｆを有し、それらの梁のチューニングがその６つの群の間で異なるモジュール１０４Ｃによって、図２Ａにおいて図示される。この例では、異なるチューニングは、図２Ａに示すように、ＰＶＥＨ梁２０４Ａ〜２０４Ｆの実際の長さＬＡ〜ＬＦを、それぞれ変えることにより施される。ＰＶＥＨ梁２０４Ａ〜２０４Ｆのチューニングを変える、付加的／代替的方法の例について、後段で言及する。この例では、各ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁２０４Ａ〜２０４Ｆは、梁の製作に使用される圧電材料の層形成に関して「バイモルフ」梁であり、また、圧電材料からの電気エネルギーを収穫するための電極が、梁のパラメトリックモードの励振からエネルギーを収穫するために特別に構成される方法に関して「分割電極」梁であることにも留意されたい。バイモルフおよび分割電極の概念のそれぞれについて、後段で詳細に説明する。
図２Ａに示すＰＶＥＨモジュール１０４Ｃは、本明細書の中で開示する広範な概念を使用して構成することができるＰＶＥＨモジュールの事実上無限の数の構成のうちのほんの一例に過ぎないことは、当業者には理解されよう。異なる設計をもたらすために、単独で、および相互の様々な組合せにおいて変えることができる項目のいくつかは、下記の通りである：１）各群の中のＰＶＥＨ梁の数は、異なる設計の中では、図示の８個と異なってよい；２）ＰＶＥＨ梁の数は、群の間で変えることができる；３）群の数は、図示の６個と異なってよい；４）同等でない群の数は、図示の６個と異なってよい；５）各モジュールは、互いに同等の２以上の群を有してよい；６）ＰＶＥＨ梁は、とりわけ両固定端タイプ、両クランプ端タイプ、単純支持タイプ、および他のタイプの組合せである混合タイプなど、片持ち梁以外であってよい。支持条件は、本開示の広範な概念の用途を限定しない。
さらに、ＰＶＥＨモジュール１０４Ａ〜１０４Ｐのすべては、図２に示すモジュール１０４Ｃと同じである必要はない。例えば、６通りの異なる梁チューニングが望ましい場合は、図１の１６個のＰＶＥＨモジュール１０４Ａ〜１０４Ｐのすべてが同等であってよい。しかし、６通りの異なる梁チューニングは、別の異なる方法で施されることができる。例えば、各ＰＶＥＨモジュールが２通りの異なるチューニングをもたらすことができ、それによりモジュールのうちの少なくとも２つの異なるモジュールがそれぞれ、２通りの異なるチューニングをさらにもたらす。別の例として、ＰＶＥＨモジュール全体が唯一の梁チューニングを有してもよく、それにより６通りの異なるチューニングが、すべてが互いに異なるチューニングを有する少なくとも６個のモジュールによりもたらされる。上記は、所望の目的を達成するために実施することができる多くの変形形態のうちの一例に過ぎない。
本明細書の中で開示される広範な概念を使用して作製されるＰＶＥＨユニットは、問題となっている特定の設計パラメータに応じて、異なる梁チューニングの数を変えることができることにも留意されたい。例えば、いくつかの用途においては、全ＰＶＥＨユニットに対して１通りの梁チューニングしか必要でないが、他の用途に対しては、３通り、６通り、１０通り、あるいはそれ以上の異なるチューニングが有利である場合がある。何通りの梁チューニングがもたらされるべきかを決定することに関するいくつかの要因について、後段で論ずる。
図１のＰＶＥＨユニット１００など、本開示の概念により作製されるＰＶＥＨユニットは、比較的高い電力密度（単位体積当たりに生成される電力）をそのユニットに与えることができ、かつ比較的広い周波数応答をそのユニットにもたらすことができるいくつかの特徴のうちの任意の１つまたは複数の特徴を含む。これらの特徴には、駆動振動の方向における梁の基本モードの励振から振動エネルギーを収穫するだけでなく、梁のパラメトリックモードの励振からエネルギーをも収穫する、特別に設計されたＰＶＥＨ梁が含まれる。パラメトリックモードの励振は、駆動力（振動）と直交する非線形共振モードである。パラメトリックモードの励振からエネルギーを収穫するように特別に設計された本開示のＰＶＥＨ梁を、本明細書および添付の特許請求の範囲において、便宜上「パラメトリックモード可能な」、または「ＰＭＥ」と呼ぶ。各ＰＭＥ梁の断面の特性を変えることにより、その梁のパラメトリックモードの励振の周波数は、ＰＶＥＨユニットの電力密度増加させること、またはそのユニットの効果的な励振帯域幅を増加させること、あるいはその両方の所望の効果に作り出すようにチューニングすることができる。パラメトリックモードの励振周波数をチューニングすることにより各梁の効果的な励振帯域幅を増加させることに加えて、本開示のＰＶＥＨユニットの全励振帯域幅は、それらの群がわずかに異なる周波数にチューニングされる、ＰＶＥＨ梁の複数の群を用意することにより、増加させることができる。これは、それぞれ、梁２０４Ａ〜２０４Ｆの６つの異なる長さＬＡ〜ＬＦにより視覚的に例示されるように、６通りの異なるチューニングを有する６つの群２００Ａ〜２００Ｆの存在により、図２Ａのモジュール１０４Ｃに照らして例示される。後段で説明するように、異なるチューニングは、とりわけ、異なる群の中の梁２０４Ａ〜２０４Ｆに異なる試験質量（図２Ｂおよび図２Ｃにおける２２８）を備えること、および長さＬＡからＬＦを変化させることと異なる試験質量を備えることとを組み合わせることなど、他の方法で施すことができる。
ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁のいくつかの例を説明する前に、ＰＶＥＨモジュール１０４Ａ〜１０４Ｐは、相互に、かつ端部モジュール１０８Ａ〜１０８Ｂと共に積み重ねられ、固定されて、一体型の、それ自体が筐体を成すユニットを形成するように構成されることが、図１から分かる。図１において詳細には示していないが、ＰＶＥＨモジュール１０４Ａ〜１０４Ｐは、相互に、かつ端部モジュール１０８Ａ〜１０８Ｂと電気的に接続され、それにより出力１１２、１１６から利用可能な電力は、ＰＶＥＨモジュールのすべての、梁２０４Ａ〜２０４Ｆ（図２Ａ）など、ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁のすべてにより生成される電力の総和となる。ＰＭＥモジュールは、ＰＶＥＨユニット１００の特定の配置に応じて直列または並列に、互いに電気的に接続することができることは、当業者には理解されよう。再びマイクロスケールレジームのこの例において、各ＰＶＥＨモジュール１０４Ａ〜１０４Ｐは、様々な層の堆積、除去、およびエッチングの技術を使用して作製されるシリコン・ベースのダイである。そのようなモジュールの作製に使用するのに適するいくつかの加工技術を、図９Ａ〜図９Ｐならびに図１０Ａ〜図１０Ｂに関連して後段で説明する。この例の端部モジュール１０８Ａ〜１０８Ｂもまた、同様の技術で作製され、様々なＰＶＥＨモジュール１０４Ａ〜１０４Ｐおよび端部モジュールは、適切な接着技術を使用して相互に接着される。適切な接着技術の一例を、図２Ｂ、図２Ｃに関連して後段で説明する。端部モジュール１０８Ａ〜１０８Ｂの一方または両方が、特定の設計に適するように整流回路および調節回路（図示せず）を含んでよいことに留意されたい。
図２Ｂ、図２Ｃは、図１のＰＶＥＨモジュール１０４Ａ〜１０４Ｂおよび端部モジュール１０８Ａ〜１０８Ｂが、いかにして相互に固定され、電気的に接続されるかの一例を示す。図２Ｂは、それらがＰＶＥＨユニット１００（図１）の積層体を形成する途中に存在するであろう適切な相互関係にある、図１のＰＶＥＨモジュール１０４Ａ〜１０４Ｐのうちの３モジュール、とりわけＰＶＥＨモジュール１０４Ｅ〜１０４Ｇを示す。この例において図２Ｂに示すように、各モジュール１０４Ｅ〜１０４Ｇには、真空組立工程においてモジュールを相互に接着するために使用されるガラスフリット２０８が施される。ガラスフリット２０８は、ＰＶＥＨモジュール１０４Ｅ〜１０４Ｇが相互に固定された後、梁（ここでは、梁２０４Ａ）を含む空洞２１２を気密に封止するやり方で配置される。半田ボール２１６は、電気的接続がモジュール間で成されなければならない各場所において、各ＰＶＥＨモジュール１０４Ｅ〜１０４Ｇの上に設置される。この設計においては、底部電極２２０は、シリコン基板２２４に電気的に接続される。図２Ｃは、真空組立工程の後に互いに接着された、上部６モジュール、すなわち端部モジュール１０８ＡおよびＰＶＥＨモジュール１０４Ａ〜１０４Ｅを示す。図２Ｃで見られるように、ガラスフリット２０８および半田ボール２１６を溶融するのに十分な温度までモジュール１０４Ａ〜１０４Ｅ、１０８Ａを加熱することを含む真空組立工程の間に、半田ボールは流れて凝固し、隣接するモジュール間の空間の充填を形成し、それにより隣接するモジュール間に電気的連続性がもたらされる。真空組立工程の間、真空が空洞２１２のそれぞれの中に形成され、その真空が、溶融し凝固したガラスフリット２０８によりもたらされる気密封止により保持される。
例示のために、以下の表は、図１のＰＶＥＨユニット１００に概ね類似する１組の代表的なマイクロスケールＰＶＥＨユニット（図示せず）に対する、いくつかの対応するパラメータの、概略の最小値および最大値を提供する。ＰＶＥＨユニット１００と同様に、代表的な組（ＰＶＥＨモジュール１０４Ａ〜１０４Ｐのうちの複数のモジュールに対応）における個々のＰＶＥＨモジュールのうちのそれぞれは、直径１５０ｍｍのシリコンウェーハの典型的な厚さである６７５μｍの厚さを有する７．５ｍｍ×７．５ｍｍ角のダイである。もちろん、他のウェーハの厚さを使用することができるが、６７５ｍｍの厚さのウェーハは、図２Ｂ〜図２Ｃに示す両側空洞２１２を作り出すのに十分な厚さを提供する。この例における端部モジュール（図１の端部モジュール１０８Ａ〜１０８Ｂに対応）は、ＰＶＥＨモジュールを作製するために使用されるのと同じウェーハから作製され、したがって同じ厚さを有する。ＰＶＥＨモジュールに対応するダイのそれぞれは、図９Ａ〜図９Ｐおよび図１０Ａ〜図１０Ｂに関連して後段で説明する加工技術を使用して作製されるバイモルフで分割電極のＰＭＥ ＰＶＥＨ梁を含む。この例においては、各ＰＶＥＨモジュール（チップ）は、共に直列に電気的に接続され、０．２Ｖで１００μＷの電力を生成する１２のＰＭＥ ＰＶＥＨ梁をそれぞれ有する８個の同じにチューニングされた群を含む。この例においては、各ＰＶＥＨモジュールの中のＰＶＥＨモジュールのすべては、それぞれの出力ノードの両端の電圧を最大にするために、直列に電気的に接続される。その結果、電気的に直列に積み重ねられた１０個のダイは、整流後（０．５Ｖのロスを仮定）に、１．５Ｖで１ｍＷの電力を達成する。これは、キャップチップを含めて、７．４２５ｍｍの高さの積層体である。同様に、４．０５ｍｍの高さの積層体は、０．５Ｖで０．５ｍＷの電力を生成し、１０．８ｍｍの積層体は２．５Ｖで１．５ｍＷの電力を生成し、２０．９２５ｍｍの高さの積層体は５．５Ｖで３ｍＷの電力を生成する、等々。
もちろん、下表の値は、この例に特定のものであり、本明細書で開示される広範な概念により作製される他のＰＶＥＨユニットに対する同様の値は、それらの規模および構成に応じて他の値を有する。例えば、表の中の最小および最大の動作周波数は、それぞれ５０Ｈｚおよび１５００Ｈｚとして示されているが、本明細書で開示される広範な原理により作製されるＰＶＥＨユニットおよびモジュールは、他の動作周波数を有するように作製することができる。とは言っても、一般的に言えば、本開示により作製されるＰＶＥＨユニットおよびモジュールに対する多くの用途は、５０Ｈｚ〜２５０Ｈｚの範囲内の動作周波数（帯域）を必要とする可能性が高い。
Figure 2010522438
図３〜図５は、本開示のＰＭＥ ＰＶＥＨ技術と従来のＰＶＥＨ技術の間の差異を強調し、またパラメトリックモードの励振の利用に関連する概念を説明するために、提示される。図３は、その厚さよりはるかに大きい幅を有する従来型の矩形断面の片持ちのＰＶＥＨ梁に対する周波数スペクトル３００である。例えば、そのような従来型のＰＶＥＨ梁の幅は、梁の厚さの５０倍程度であろう。図３はまた、図３〜図５（および図６〜図８）に関連して使用される片持ち梁３０４および座標系３０８を概略的に示す。その厚さよりもはるかに大きい幅を有する従来型のＰＶＥＨ梁においては、パラメトリックモードの励振は実質的に存在しない。その結果、第１高調波のみを考慮して、周波数スペクトル３００は、ＺＸ平面内の第１曲げモードの励振による、ここでは１２０Ｈｚ±２Ｈｚの基本共振周波数のピーク３００Ａ、および同じくＺＸ平面内の第２モードの励振による、ここでは７５１．２Ｈｚ±２Ｈｚの第１高調波周波数のピーク３００Ｂのみを有し、それぞれはＺＸ平面内の駆動振動に起因する。
図４は、図３の周波数スペクトル３００、ならびにその基本および第１高調波のピーク３００Ａ〜３００Ｂをそれぞれ再現し、かつ図３の比（＞５０）よりはるかに小さい様々な幅対厚さ比に対するパラメトリックモードの励振に起因するＹＺ平面内で曲がる梁から得られる６つの追加のピーク４００、４０２、４０４、４０６、４０８、４１０をも含む。再び、パラメトリックモードの励振は、ここではＺＸ平面である駆動振動の平面に直交する、ここではＹＸ平面である平面内に曲げを生じる。周波数スペクトル３００は、パラメトリックモードのピーク４００、４０２、４０４、４０６、４０８、４１０をもたらすはるかにより狭い梁に対して同等に適用可能であることに留意されたい。なぜなら、一般に、特定のＺ方向の厚さの梁に対して、周波数応答スペクトルは、Ｙ方向の幅が変化しても変化しないからである。
図４から分かるように、パラメトリックモードのピーク４００、４０２、４０４、４０６、４０８、４１０はそれぞれ、幅対厚さ比１．５、２、３、４、５、および７に対応しており、これらのピークの高さは比の増大と共に低下している。これらのうちのいずれか、または他の同様な値の幅対厚さ比は、パラメトリックモード振動エネルギー収穫に利用することができるが、１から約１．５の比は、この範囲の中に対応する応答のピーク（ピーク４００で示される）が基本共振のピーク３００Ａと重なり合うので、特に注目すべきである。一般に、幅対厚さ比は、パラメトリックモードの励振を基本共振周波数から約５Ｈｚの範囲内に入るようにとる。その結果、このレジームの幅対厚さ比を、付随するパラメトリックモードの励振を利用する回路と併せて実施することを利用して、図１のＰＶＥＨユニット１００など、ＰＶＥＨ装置の有用な帯域幅を拡大することができる。幅対厚さ比が１においては、パラメトリックモードのピーク（図示せず）は、基本共振のピーク３００Ａに一致するであろうことに留意されたい。したがって、基本共振励振およびパラメトリックモードの励振の両方を十分に利用する適切な回路を使用すると、基本共振の励振のみを利用する同様の装置と比較してＰＭＥ ＰＶＥＨ装置の出力を事実上２倍にすることができるであろう。
パラメトリックモードの励振周波数がその梁の基本共振周波数に近接するようにＰＭＥ ＰＶＥＨ梁をチューニングすることは、その梁の周波数応答の帯域幅を拡大するのに非常に有用であるが、他のパラメトリックモードのチューニングもまた有用であることは、当業者には容易に理解されよう。一般に、しかし限定する必要はないが、現在のところ、有用な用途を見出すことができる（矩形断面梁に対する）チューニングは、幅対厚さ比が１：１から８：１まで変化するものと想定される。例えば、５Ｈｚ超離れている（幅対厚さ比＞１．５）２つの特定の固定振動周波数を含む環境が存在することができる。そのような場合、例えば、要求に応じて梁の幅対厚さ比を２：１から８：１までのいずれかにすることにより、ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁の基本共振周波数を１つの周波数にチューニングし、パラメトリックモード周波数を別の周波数にチューニングすることができる。別の例として、幅対厚さ比は、６．２６：１であることができる。これは、第２の曲げ共振モードの出力電圧および電力を倍増させるであろう（第１高調波のピーク３００Ａおよび幅対厚さ比５：１および７：１にそれぞれ対応するピーク４０８、４１０参照）。
パラメトリックモードの励振を利用することにより帯域幅を拡大する概念を示す図４と共に、図５は、いかにして図１のＰＶＥＨユニットのような本開示のＰＶＥＨ装置の効果的な帯域幅を、わずかに異なる基本共振周波数チューニングを有するＰＭＥ梁を備えることによって、さらに拡大することができるかを示す。図５は、１）ＺＸ平面（図３参照）内の基本共振周波数を、図３における梁と同じ、すなわち１２２Ｈｚ（ピーク５００Ａ）にそれぞれチューニングされた１つまたは複数の梁、２）１１４Ｈｚ（ピーク５００Ｂ）の、ＺＸ平面内の基本周波数を有するようにそれぞれチューニングされた１つまたは複数の梁、および３）１３０Ｈｚ（ピーク５００Ｃ）の、ＺＸ平面内の基本周波数を有するようにそれぞれチューニングされた１つまたは複数の梁を含むＰＭＥ ＰＶＥＨ梁のシステム（図示せず）に対する周波数応答スペクトル５００を示す。基本モードのピーク５００Ａ〜５００Ｄにそれぞれ対応する２次曲げモード（第１高調波）のピーク５００Ｄ〜５００Ｆが関連して示されているが、そのようなシステムの設計では、通常、無視できる。ＺＸ平面内のこれらの異なる基本共振のチューニングに加えて、異なるようにチューニングされた梁のそれぞれには、約１．５の幅対厚さ比（やはり、厚さはＺ方向であり幅はＹ方向である）が施され、それにより基本共振のピーク５００Ａ〜５００Ｃにそれぞれ対応するパラメトリックモードの励振のピーク５００Ｇ〜５００Ｉが生成される。容易に分かるとおり、複数のわずかにオフセットさせた基本共振チューニングを施すことと、異なるようにチューニングされた梁のパラメトリックモードの励振を利用することの両方の効果を加え合わせることにより、顕著な帯域幅の拡大がもたらされる。この例においては、１２２Ｈｚ付近に中心がある拡大された全帯域幅は、約２０Ｈｚである。
大幅に減衰を抑制されたＰＶＥＨ梁など、高い品質係数（Ｑ）の装置において帯域幅を拡大することは、様々な理由のうちの１つまたは複数において有用である。例えば、ある温度範囲にわたって動作しなければならないＰＶＥＨ装置に対して、拡大された帯域幅は、温度の変化と共に梁が固くなったり柔らかくなったりする範囲にわたって、その装置が最大の有効性で動作することを可能にする。別の例として、帯域幅を拡大された装置は、周囲の振動が変化する環境において、より効果的である。帯域幅を拡大された装置はまた、製造時の振動に対してより大きな耐性をもたらし、また、単一の装置がより広い周波数範囲にわたって有効であり、それにより、所与の広範囲の周波数に対して、多くのより狭い帯域幅の装置に代わって、少数の帯域幅を拡大された装置が使用できるという点において、製品の節約をももたらすことができる。本明細書で開示される概念を使用して達成することができる帯域幅拡大の、これらおよび他の利点は、当業者には容易に理解され、認識されよう。
図６および図７は、図２のＰＶＥＨモジュール１０４Ｃの梁２０４Ａ〜２０４Ｆのそれぞれに使用することができるバイモルフＰＭＥ ＰＶＥＨ梁６００を示す。図６において容易に分かるように、バイモルフ梁６００は、一方固定で他方自由の片持ち梁である。この例では、バイモルフ梁６００は、図９Ａ〜図９Ｐおよび図１０Ａ〜図１０Ｂに関連して後段で図示する段階に類似の製作段階を使用して、シリコンウェーハ６０４上に形成されるマイクロスケール構造である。バイモルフ梁６００の説明は、この文脈から理解されるが、このバイモルフ梁の基本構造が、メソスケールレジームなど、別のサイズのレジームにおいて、それに応じて製作技術を変更することにより、代わりに実施することができるであろうことは、当業者には容易に理解されよう。他のスケールでバイモルフ梁６００の構造を実施するために必要な代替製作技術を当業者は理解するので、当業者が本開示の広い範囲を認識するために、それらの代替技術を本明細書において説明する必要はない。読者には、マイクロスケールのバイモルフ梁６００を形成するために適する製作技術の説明に関して、図９Ａ〜図９Ｐおよび図１０Ａ〜図１０Ｂ、ならびに添付の文を参照されたい。
図７において最もよく分かるように、梁６００は、「バイモルフ」であるとみなされる。なぜなら、それは、ＺＸ平面内の曲げに対する中立軸（ここではグローバル座標系のＹ軸７０８に一致して設定される）の両側に配置される、２つの別個の分離された圧電層７００、７０４を有するからである。当業者には理解されるように、圧電層７００、７０４は中立軸７０８の両側に配置され、それにより、ＺＸ平面内の曲げの間、仮に単一の層が中立軸にまたがる場合に生じる、圧電材料内の内部電荷の相殺を避けるために、各層の全体が、プラスまたはマイナスのいずれかに引っ張られる。仮に圧電層７００、７０４のいずれかが、ＺＸ平面の曲げの間に中立軸７０８にまたがると、その層の一部分はプラスに引っ張られ、別の部分はマイナスに引っ張られ、その結果、電荷は互いに相殺される。
この例においては、これらの層のそれぞれは、７００Ａ〜７００Ｂと７０４Ａ〜７０４Ｂの２つの部分に分割され、７００Ａと７０４Ａの部分はＹＸ平面の曲げの中立軸（ここでは便宜上、Ｚ軸７１２と一致するように設定される）の一方の側に位置し、７００Ｂと７０４Ｂの部分は中立軸７１２の他方の側に位置する。このようなやり方で圧電層７００と７０４を分離する理由は、仮にこれらの層が中立軸７１２を横切って連続している場合に生じる、パラメトリックモード曲げにおける電荷の相殺を防止するためである。図７において容易に分かるように、圧電部分７００Ａ、７０４Ｂ、７０４Ｂ、７００Ａはそれぞれ、中立軸７０８、７１２により画定される四分円Ｑ１〜Ｑ４の中に位置するとみなすことができる。これに関連して、パラメトリックモードの曲げは、基本モードの曲げ平面（ＺＸ平面）に直交するＹＺ平面内で発生する一方で、十分な駆動振動の影響下で、バイモルフ梁６００の自由端の実際の動きは、本来は円運動であることに留意されたい。したがって、圧電部分７００Ａ〜７００Ｂ、７０４Ａ〜７０４Ｂを四分割することにより、これら四分円毎の部分から電荷を収穫するという効果的な方法がもたらされる。例えば、バイモルフ梁６００の曲げが純粋にＺＸ平面内（すなわち、Ｙ軸７０８まわり）にあるとき、圧電部分７００Ａ〜７００Ｂは一方の極性において互いに等しく引っ張られ、圧電部分７０４Ａ〜７０４Ｂは他方の極性において互いに等しく引っ張られる。バイモルフ梁６００の曲げが純粋にＹＸ平面内（すなわち、Ｚ軸７１２まわり）にあるとき、圧電部分７００Ａ、７０４Ａは一方の極性において互いに等しく歪みを受け、圧電部分７００Ｂ、７０４Ｂは他方の極性において互いに等しく引っ張られる。バイモルフ梁６００の曲げが、Ｘ軸７１６まわりにＹＸ平面とＺＸ平面の間のある角度まで回転した平面内にあるとき、圧電部分７００Ａ、７０４Ｂ、あるいは圧電部分７００Ｂ、７０４Ａのいずれかが、その平面の位置に応じて、最大および最小の反対極性の引っ張りあるいは圧電部分７００Ｂ、７０４Ａを受ける。
やはり図７を参照すると、バイモルフ梁６００は、圧電部分７００Ａ〜７００Ｂ、７００Ａ〜７００Ｂのうちの対応するそれぞれの圧電部分から電荷を四分円毎に収穫することを容易にするために、個別の電極７２０Ａ〜７２０Ｂ、７２４Ａ〜７２４Ｂ、７２８Ａ〜７２８Ｂに分割された３つの電極層７２０、７２４、７２８を含む。電極層７２０、７２４、７２８が個別の電極７２０Ａ〜７２０Ｂ、７２４Ａ〜７２４Ｂ、７２８Ａ〜７２８Ｂに分割されるという事実から、本開示のＰＭＥ ＰＶＥＨ梁がこの種類の構造を有することを説明するために使用される「分割電極」という用語が生じる。しかし、「分割電極」は、単一層または大きな電極が、後続の製作段階の間に分割される状況に限定されないことに留意されたい。むしろ、用語「分割電極」は、個別に形成された電極が、中立軸７１２の両側にもたらされる状況にも適用される。言い換えれば、用語「分割電極」の概念は、パラメトリックモードの電荷収穫用電極がいかにして形成されるかではなく、互いに離隔配置されるという事実に対して適用される。
電極７２０Ａ〜７２０Ｂ、７２４Ａ〜７２４Ｂ、７２８Ａ〜７２８Ｂの機能に関してより詳細には、電極７２０Ａ、７２４Ａは、四分円Ｑ１における圧電部分７００Ａからの電荷収穫においてアクティブになり、電極７２４Ａ、７２８Ａは、四分円Ｑ２における圧電部分７０４Ａからの電荷収穫においてアクティブになり、電極７２４Ｂ、７２８Ｂは、四分円Ｑ３における圧電部分７０４Ｂからの電荷収穫においてアクティブになり、電極７２０Ｂ、７２４Ｂは、四分円Ｑ４における圧電部分７０４Ａからの電荷収穫においてアクティブになる。容易に分かるように、電極７２４Ａ〜７２４Ｂはそれぞれ、中立軸７１２にまたがっており、それにより対応するそれぞれの圧電部分７００Ａ〜７００Ｂ、７０４Ａ〜７０４Ｂを中立軸７１２から分離しており、その結果、上述のように、電荷の分離が避けられる。図６を参照すると、圧電部分７００Ａ〜７００Ｂ、７０４Ａ〜７０４Ｂ（図７）から集められた電荷を適当な電荷収集回路（図示せず）に送るために、バイモルフ梁６００には、電極層７２０、７２４、７２８にそれぞれ対応して接点６０８、６１２、６１６を備えることができる。
やはり図６を参照すると、本実施形態において、バイモルフ梁６００は、梁の自由端に隣接して配置された試験質量６２０を有する。試験質量６２０は、バイモルフ梁６００のチューニングを低くするために備えられ、またその梁の電力出力を増大させるためにも備えられる。他の実施形態においては、試験質量を備える必要は全くなく、一方で、さらに別の実施形態においては、２つ以上の試験質量が、例えばバイモルフ梁に沿った異なる位置に備えられてよい。当業者には容易に理解されるように、バイモルフ梁６００は、梁の断面形状、梁の断面寸法、梁の長さ（代表的な厚さ）、存在する場合は試験質量の質量、梁の上の試験質量の位置、および梁の作製に使用される材料などのいくつかのパラメータのうちのいずれか１つまたは複数のパラメータを変えることによりチューニングすることができる。
上述の通り、バイモルフ梁６００は、基板としてシリコンウェーハ６０４を使用して作製される。バイモルフ梁６００の製作中、電極層７２０、７２４、７２８および圧電層７００、７０４など、様々な層が、既知の技術によって堆積され、エッチングされる。自由端で片持ちのバイモルフ梁６００を作り出すために、製作段階のうちの１段階は、梁の下に空洞６２４を作り出すために、かつ任意の隣接するバイモルフ梁の間または他の横に隣接するウェーハの部分との間に分離部を作り出すために、シリコンウェーハ６０４の一部分をエッチングで除去することを伴う。再び、バイモルフ梁６００の作製に使用することができる製作段階の例は、図９Ａ〜図９Ｐおよび図１０Ａ〜図１０Ｂに関連して後段で説明する。
図７、および図６をも参照すると、この例のバイモルフ梁６００に含まれる他の層には、ベース層７３２、任意選択の第１の絶縁層７３６、任意選択の側部電極層７４０および第２の絶縁層７４４が含まれる。ベース層７３２は、空洞６３４の形成に使用するために備えられ、その工程の産物である。第１の絶縁層７３６は、任意選択の側部電極層７４０が備えられる場合に、備えられる。側部電極層７４０は、もし備えられる場合には、パラメトリックモードの電荷収穫に使用することができる任意選択の側部電極７４０Ａ〜７４０Ｄをもたらすために、パターニングされエッチングされる。もし備えられる場合は、各側部電極７４０Ａ〜７４０Ｄはキャパシタの電荷プレートの様に働き、第１の絶縁層７３６はキャパシタの誘電体として働き、そして圧電部分７００Ａ〜７００Ｂ、７０４Ａ〜７０４Ｂのうちの複数の圧電部分は他方の電荷プレートとして働く。任意選択の側部電極７４０Ａ〜７４０Ｄは、電極層７２０、７２４、７２８に関連した上述の材料のうちの任意の１つなど、任意の適切な導電性材料で作製することができる。第２の絶縁層７４４は、保護層として、また製作中に他の層によりバイモルフ梁６００の中に誘起される応力を補償するための応力補償層として備えられる。
具体的に例示するが決して限定はしない例において、バイモルフ梁６００の様々な層は、下記の材料で作製され、下記の厚さを有する：ベース層７３２は０．５μｍの厚さを有するシリコンウェーハ６０４の熱酸化物である；電極層７２８は１．０μｍの厚さを有するモリブデン（Ｍｏ）層である；圧電層７０４は１．０μｍの厚さを有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層である；電極層７２４は０．５μｍの厚さを有するＭｏ層である；圧電層７００は１．０μｍの厚さを有するＡｌＮ層である；電極層７２０は０．２μｍの厚さを有するＭｏ層である；第１の絶縁層７３６は０．１μｍ〜０．２μｍの厚さを有するＰＥＣＶＤ酸化物層である；側部電極層７４０は０．２μｍの厚さを有するＭｏ層である；そして第２の絶縁層７４４は１．８μｍの厚さを有するＰＥＣＶＤ酸化物層である。もちろん、他の実施形態においては、寸法は異なってよい。これに関して、本明細書で使用されるすべての厚さおよび寸法は例示的であり、増減することがあることに留意されたい。例えば、図１のＰＶＥＨユニット１００など、本開示のＰＶＥＨユニットの体積を増加させると、出力電力および電圧は増加する（しかし電圧は圧電層の厚さと長さのみによって決まる）が、正しく行えば、共振周波数は不変のままですることもできるし、所望される場合は変更することもできる。ＰＶＥＨユニットの体積を増加させることの欠点は、単一のウェーハからより少ないモジュール／チップしか製作することができず、したがってダイ当たりのコストが増加することである。
中立軸７１２の位置は、様々な層の厚さを変えることにより（図７に比較して）上下に調節できることに留意されたい。分かりやすくするために、圧電部分７００Ａ〜７００Ｂ、７０４Ａ〜７０４Ｂの斜めの側壁およびその後に堆積された層は、分割電極構造の形成に使用されるエッチング技術の産物に過ぎないことにも留意されたい。他の実施形態において、これら斜めの側壁は、適切な製作技術の選択によりなくすことができ、同様に２つの積層体７４８、７５２と、同じく使用された特定の製作工程の産物である張り出し部７５６、７６０との間の比較的幅の広い空間もなくすことができる。
図６および図７が、バイモルフで分割電極のＰＭＥ ＰＶＥＨ梁６００の例を示すのに対して、図８は、そのような梁の単形版８００を示す。図８において分かるように、単形梁８００が、図６および図７のバイモルフ梁６００と同じマイクロスケールで作製され、かつ同じ製作工程を使用して作製されるときは、単形梁８００は、バイモルフ梁６００とほとんど同様に構成することができる。しかし、２つの圧電層７００、７０４（図７）および３つの電極層７２０、７２４、７２８を有する代わりに、図８の単形梁８００は、単一の圧電層８０４およびそれらの間に圧電層を挟み込む一対の電極層８０８、８１２しか有しない。これらの層８０４、８０８、８１２のそれぞれは、梁８００のパラメトリックモードの励振から電荷を収穫することに関して上述した理由により、２つの単形の電荷発生器８１６、８２０を互いに電気的に切り離すために、（図８に対して）水平に「分割」される。この例では、図６および図７のバイモルフ梁６００で発生したように、基本共振の励振はＺＸ平面内に発生し、パラメトリックモードの励振はＹＺ平面内に発生する。層８０４、８０８、８１２を分割すると共に、積層体８１６は、圧電部分８０４Ａおよび対応する電極８０８Ａ、８１２Ａを含み、積層体８２０は、圧電部分８０４Ｂおよび対応する電極８０８Ｂ、８１２Ｂを含む。
ＺＸ平面内の曲げの間に圧電層８０４の内部で電荷が相殺されることを避けるために、単形梁８００の様々な層の厚さは、その圧電層の全体が、中立曲げ軸の片側またはその反対側にあるように選択される。ここに中立軸には便宜上グローバルＹ軸８２４が設定される。この様にして、ＺＸ平面の曲げの間、圧電層８０４の全体は、プラスまたはマイナスに引っ張られる。図６および図７のバイモルフ梁６００と同じように、圧電層８０４内部の電荷の相殺は、積層体８１６、８２０が中立軸、ここではグローバルＺ軸８２６、の両側にあるように層８０４、８０８、８１２を分割することによって避けられる。
電極８０８Ａ〜８０８Ｂは、単形梁８００（図６参照、単形梁８００の片持ち梁構成を想像するために使用することができる）の固定端を超えたところで互いに電気的に結合することができ、電極８１２Ａ〜８１２Ｂに関しても同様である。次に、単形梁８００には、バイモルフ梁６００の電気的接点６０８、６１２、６１６（図６）と類似の方法で、電気的接点（図示せず）が備えられる。
バイモルフ梁６００と同様に、単形梁８００は、圧電および電極層８０４、８０８、８１２に加えて様々な層を有することができる。この例では、そのような付加的な層は、ベース層８２８、任意選択の第１の絶縁層８３２、任意選択の側部電極層８３６および第２の絶縁層８４０を含む。ベース層８２８は、単形梁８００を形成するために使用される工程の産物であり、積層体８１６、８２０のための一体ベースをもたらす。任意選択の側部電極層８３６が備えられるときは、第１の絶縁層８３２が備えられる。側部電極層８３６は、もしそれが備えられるときは、パラメトリックモードの電荷収穫に使用することができる任意選択の側部電極８３６Ａ〜８３６Ｄを備えるために、パターニングされエッチングされる。各側部電極８３６Ａ〜８３６Ｄは、もしそれが備えられるときは、キャパシタの電荷プレートの様に働き、第１の絶縁層８３２はキャパシタの誘電体として働き、圧電部分８０４Ａ〜８０４Ｂのそれぞれは他方の電荷プレートとして働く。任意選択の側部電極８３６Ａ〜８３６Ｄは、図６および図７のバイモルフ梁６００の電極層７２０、７２４、７２８に関連して上述した材料のうちの任意の１つなど、任意の適切な導電性材料で作製することができる。第２の絶縁層８４０は、保護層として、かつ製作中に他の層によりバイモルフ梁６００の中に誘起された応力を補償するための応力補償層として備えられる。この例では、第１および第２の絶縁層８３２、８４０は、プラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）により形成される酸化物である。
具体的に例示するが決して限定はしない例において、単形梁８００の様々な層は、下記の材料で作製され、下記の厚さを有する：ベース層８２８は、２．０μｍの厚さを有する元のシリコンウェーハの熱酸化物（図６および図７ならびに添付の文参照）である；電極層８１２は、１．０μｍの厚さを有するＭｏ層である；圧電層８０４は、１．０μｍの厚さを有するＡｌＮ層である；電極層８０８は、０．２μｍの厚さを有するＭｏ層である；第１の絶縁層８３２は、０．２μｍの厚さを有するＰＥＣＶＤ酸化物層である；側部電極層８３６は、０．１μｍの厚さを有するＭｏ層である；そして第２の絶縁層８４０は、１．３μｍの厚さを有するＰＥＣＶＤ酸化物層である。もちろん、他の実施形態においては、寸法は変わってよい。分かりやすくするため、圧電部分８０４Ａ〜８０４Ｂの斜めの側壁および後で堆積された層は、分割電極構造を形成するのに使用されたエッチング技術の産物に過ぎないことに留意されたい。他の実施形態において、これら斜めの側壁は、適切な製作技術の選択によりなくすことができ、同様に２つの積層体８１６、８２０と、同じく使用された特定の製作工程の産物である張り出し部８４４、８４８との間の比較的幅の広い空間もなくすことができる。
図示はしないが、単形梁８００は、望まれるかまたは必要とされるときは、図６および図７のバイモルフ梁６００と同様のやり方で、１つまたは複数の試験質量を含むことができる。さらに、単形梁８００は、バイモルフ梁６００に関して上述した技術のうちの任意の１つまたは複数を使用して基本共振応答のためにチューニングすることができる。さらに、単形梁８００のパラメトリックモード応答は、図４に関連して上述したとおり、梁（事実上矩形断面形状を想定）の厚さＴ’に対する梁の幅Ｗ’の比を変えることにより チューニングすることができる。上述の単形片持ち梁８００の代表的なマイクロスケール構造においては、圧電層８０４により梁の上部に引っ張りが引き起こされた結果として、梁の上向きのカールが発生する。このカールは、適切な技術を使用して許容限界内になるように制御することができる。図６および図７のバイモルフ梁６００は、ＺＸ−曲げの中立軸７０８の両側に圧電層７００、７０４が存在することにより、カールしにくい傾向があることに留意されたい。
図９Ａ〜図９Ｐは、図８の梁８００など、マイクロスケールの片持ちで単形のＰＭＥ ＰＶＥＨ梁、ならびに、図１および図２のモジュール１０４Ａ〜１０４Ｐのうちの任意のモジュールなど、マイクロスケールＰＶＥＨモジュールの実に全体を製作するために使用することができる段階を示す。段階９００（図９Ａ）において、シリコン基板９０２が提供される。シリコン基板９０２は、任意の結晶方位、ならびに任意のドーパントタイプおよびドーピング濃度を有してよい。段階９０４（図９Ｂ）において、ベース層９０６が、基板９０２にもたらされる。図８のベース層８２８に対応するベース層９０６はそれぞれ、上述の通り、梁８００（図８）の片持ち梁を作り出すためのエッチストップとして使用される。ベース層９０６は、例えば、１）熱成長二酸化シリコン（ＳｉＯ２）；２）低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）またはプラズマ促進ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）酸化シリコン（ＳｉＯＸ、Ｘ≦２）；あるいは低応力シリコンリッチ窒化物（ＳｉＸＮＹ、Ｘ＜３、Ｙ＜４）であることができる。ベース層９０６は、薄膜応力をバランスさせるためにシリコン基板９０２の両側にもたらすことができる。
段階９０８（図９Ｃ）において、金属層９１０は、基板９０２の片側の上にスパッタリングまたは蒸着により堆積される。金属層９１０は、図８の単形梁８００の電極層８１２に対応する。段階９１２において、圧電層９１４が基板９０２の片側の上に堆積される。この層９１４のために使用される圧電材料は、例えば、ＡｌＮ（スパッタリングにより堆積される）、チタン酸鉛ジルコネート（ＰＺＴ）（ゾル・ゲル法またはスパッタリングにより堆積される）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（ゾル・ゲル法により堆積される）、および酸化亜鉛（ＺｎＯ）（スパッタリングにより堆積される）のうちのいずれかであってよい。段階９１６（図９Ｅ）において、図８の単形梁８００の電極層８０８に対応する第２の金属層９１８は、スパッタリングまたは蒸着により堆積される。
段階９２０（図９Ｆ）において、第２の金属層９１８が、例えば、フォトリソグラフィのパターニング技術を使用してパターニングされ、次いでウェットエッチングまたはドライ反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用してエッチングされる。段階９２２（図９Ｇ）において、圧電層９１４は、ウェットエッチングまたはドライＲＩＥを使用してエッチングされる。ＡｌＮが圧電層９１４のために使用され、Ｍｏが金属層９１０、９１８のために使用される場合は、ウェット水酸化カリウム（ＫＯＨ）工程を使用することができる。この場合は、段階９２０のパターニングからのフォトレジスト（図示せず）は、ＫＯＨエッチングの前に剥がされ、金属層９１０、９１８のＭｏがハードマスクとして使用される。ＡｌＮはＫＯＨの中に異方性にエッチングし、上の図７および図８のそれぞれに関して強調された斜めの壁を形成する。段階９２４（図９Ｈ）において、金属層９１０は、ウェットエッチングまたはドライＲＩＥを使用してエッチングされる。Ｍｏの例において留意すべきは、ＭｏはＲＩＥを使用することである。
段階９２６（図９Ｉ）において、図８の単形梁８００の第１の絶縁層８３６に対応する第１の上部誘電体９２８が堆積される。誘電体９２８は、例えば、堆積されたＬＰＣＶＤまたはＰＥＣＶＤの酸化シリコン（ＳｉＯＸ）または窒化シリコン（ＳｉＸＮＹ）であることができる。通常は、他の製品の膜との金属クロス汚染のために、金属は、ＬＰＣＶＤ炉の中に投入されない。しかし、専用のＬＰＣＶＤシステムが使用され、金属溶融点が高い（タングステンおよびＭｏの溶融点は高く、金の溶融点は低い）場合は、それが行われることができる。この例では、第１の上部誘電体９２８は、薄膜の応力をバランスさせるために基板９０２の両側に堆積される。段階９３０（図９Ｊ）において、第１の上部誘電体９２８は、ウェットエッチングまたはＲＩＥを使用してエッチングされる。
図８の単形梁８００の側部電極８４０Ａ〜８４０Ｄに対応する側部電極がもたらされる場合は、任意選択の段階９３２（図９Ｋ）を実施することができる。段階９３２では、金属層９３４が、例えば、スパッタリングまたは蒸着により堆積され、次いでパターニングされて側部電極９３８を形成するためにエッチングされる。側部電極９３８がもたらされない場合は、段階９３２、ならびに図９Ｉ〜図９Ｊの段階９２６、９３０それぞれ、または図９Ｌ〜図９Ｍの段階９４０、９４２それぞれのいずれかは、省略される。もたらされる場合は、側部電極９３８の形成に続いて、段階９４０（図９Ｌ）、段階９４２（図９Ｍ）が実施される。段階９４０において、図８の単形梁８００の第２の絶縁層８４０に対応する第２の上部誘電体９４４が堆積される。誘電体９４４は、例えば、第１の上部誘電体９２８に関して上述した材料のうちの任意の１つであることができる。この例では、第２の上部誘電体９４４は、薄膜の応力をバランスさせるために基板９０２の両側の上に堆積される。段階９４２（図９Ｍ）において、第２の上部誘電体９４４は、ウェットエッチングまたはＲＩＥを使用してエッチングされる。
段階９４６（図９Ｎ）において、電気接点９４８、９５０および相互接続配線（図示せず）がもたらされる。必須ではないが、通常、電気接点９４８、９５０は、電流の流れによるエレクトロマイグレーションを防止するために約２％のシリコンを含有するアルミニウムである。接点９４８、９５０および配線は、例えば、フォトメタル堆積（蒸着）リフトオフ工程によるか、あるいは、堆積（蒸着およびスパッタリング）およびウェットエッチングまたはＲＩＥによりもたらされる。段階９５２（図９Ｏ）において、試験質量９５４が、適切な方法を使用して形成される。一般に、電気めっきが、約１０μｍ〜約１００μｍの範囲の厚い金属堆積を得るために最も良い方法である。蒸着は、約３μｍ未満の厚さに限定される。
段階９５６（図９Ｐ）において、片持ち梁９５８に対する前駆体が、片持ち梁を形成するために、基板９０２からリリースされる。この例では、片持ち梁９５８は、第２および第１の誘電体９４４、９２８ならびに背面のベース層９０６を貫通するパターニングおよびエッチングを行うこと、次いで基板９０２を貫通して前面のベース層の下側に達する深いＲＩＥ（ＤＲＩＥ）を実施することを伴う背面リリース法を使用して形成される。
図１０Ａ〜図１０Ｂは、片持ち梁への前駆体構造をリリースする２つの代替方法を示し、両方とも、図９Ｐに関して直前で述べたような背面からではなく、組立体の前面からのエッチングを伴う。図１０Ａでは、シリコン等方性エッチングが、片持ち梁１００８の下に空洞１００４を形成するために、組立体１０００の前面から実施される。例えば、シリコンを等方性にエッチングするが他の材料を攻撃しない、気体のフッ化キセノン（ＸｅＦ２）または六フッ化硫黄（ＳＦ６）など、フッ素ベースのエッチング剤が使用され得る。このタイプの方法では、空洞１００４は、片持ち梁１００８の自由端の上下方向の動きを制限するが、空洞は、ウェーハスケールのパッケージングに対する分離、ならびに梁の過度の屈曲（過度の引っ張り）の防止に有効であることがある底部ストップを適用する。この場合は、非対称性に起因するいくらかの上向きカールは、片持ち梁１００８の自由端の運動範囲を「チューニング」するために望ましいことがある。
図１０Ｂは、片持ち梁１０１２への前駆体をリリースする別の前面からの方法を示す。この方法では、従来の、非絶縁体上シリコン（非ＳＯＩ）基板である基板９０２（図９Ａ）の代わりに、埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層１０２０を有するＳＯＩ基板１０１６を使用することができる。この方法では、ＢＯＸ層１０２０は、ＳＯＩ基板１０１６の前側から等方性エッチングする間に形成される空洞１０２４の深さを正確に制御するためのエッチストップとして働く。図１０Ａの方法と同様に、シリコンを等方性にエッチングするが他の材料を攻撃しない、気体のＸｅＦ２またはＳＦ６などのフッ素ベースエッチング剤を使用することができる。ここで、また、非対称性に起因するいくらかの上向きカールは、片持ち梁１０１２の自由端の運動範囲をチューニングするために望ましいことがある。
図９Ａ〜図９Ｐおよび図１０Ａ〜図１０Ｂの製作技術は、単形梁９５８、１００８、１０１２を作製することを対象とするが、これらの技術は、図６および図７のバイモルフ梁６００に類似するバイモルフ梁を作製するために、容易に拡張することができる。例えば、段階９１６（図９Ｅ）において第２の金属層の堆積の直後に、図９Ｆ〜図９Ｈの段階９２０、９２２、９２４において第２の金属層９１８、第１の圧電層９１４および第１の金属層９１０をパターニングしてエッチングする代わりに、第２の圧電層（図示せず、図７の圧電層７００に対応）および第３の金属層（同じく図示せず、図７の電極層７１２に対応）が、図９Ｉの段階９２６におけるように第１の上部誘電体９２８の堆積を続ける前に、第２の金属層の上に堆積され得る。次に、エッチングは、第３の金属層から始まり、下方に進行し、第１の金属層９１０を包含する。この工程の間、所望または必要に応じて、応力をバランスさせるため、およびカールを制御するために、上部誘電体９４４、９２８およびベース層９０６の厚さを変えることが望ましい。
上述の通り、上で開示した概念により作製されるＰＶＥＨユニットは、無線センサ用途を含む様々な用途のいずれにも使用することができる。図１１は、図１のＰＶＥＨユニット１００と概ね同様の構成であるＰＶＥＨユニット１１０８を含む独立型電源１１０４を備える代表的な無線センサ１１００を示す。すなわち、ＰＶＥＨユニット１１０８は、ＰＭＥ梁（図示せず）の複数の群（図示せず）を含む。図示していないが、群は、必須ではないが、図２Ａの群２００Ａ〜２００Ｅと同様に配置されてよく、ＰＭＥ梁のそれぞれは、例えば、図６および図７に示すバイモルフ梁６００、または図８に示す単形梁８００と同様であってよい。この例では、ＰＶＥＨユニット１１０８は、ＰＶＥＨユニットの効果的帯域幅を目標周波数の周辺で拡大するために、図４および図５に関して上述されたやり方でチューニングされた、３つの異なるチューニングを有するＰＭＥ梁を有する。図１１では、同様にチューニングされた梁は、第１の組１１１２、第２の組１１１６および第３の組１１２０として識別され、それらの組は、対応するそれぞれの異なる基本共振周波数ＶＢ１、ＶＢ２、ＶＢ２および対応するそれぞれの異なるパラメトリックモード周波数ＶＰ１、ＶＰ２、ＶＰ２を有する。
電源１１０４の性能を最適化するために、同様にチューニングされた梁の組１１１２、１１１６、１１２０は、例えば、非活性の組（例えば、それらは周辺の駆動振動により十分に励振されないため）のいずれかが、活性された組から電力を漏出するのを阻止する、対応するそれぞれのフルブリッジ整流器１１２４、１１２８、１１３２（ここでは、例としてダイオード整流器）など、適切な分離回路を使用して互いに電気的に分離される。この様にして、最大の電力量は、ＰＶＥＨユニット１１０８からの出力である。他の分離回路が使用できることは、当業者には理解されよう。電源１１０４はまた、無線センサに搭載された他の電子機器による使用のためにＰＶＥＨユニット１１０８により収拾された電気エネルギーを蓄える１つまたは複数の蓄電装置１１３６を含む。各蓄電装置１１３６は、とりわけ、スーパーキャパシタ（同様に「ウルトラキャパシタ」）、あるいは再充電可能な電池、例えば、リチウムイオン電池など、任意の適切な再充電可能な装置でよい。この例では、電源１１０４は、一方向の駆動周囲振動から振動を収拾するための単一のＰＶＥＨユニット１１０８のみを有する。１つまたは複数追加される同様のＰＶＥＨユニット（図示せず）を、別の方向の振動を収拾するために、異なる一配向または複数の配向で備えることができることに留意されたい。
この例では、無線センサ１１００は、無線センサの用途が要求するのに応じて、圧力変換器、加速度計、温度プローブなどの、１つまたは複数の変換器１１４０を含む。無線センサ１１００は、無線センサの動作を制御するためのマイクロコントローラ１１４４と、無線センサが、とりわけ、別の同様の無線センサ、リピータ、情報収集ノード装置または基地局装置など、１つまたは複数の他の装置と通信することを可能にするための無線送信機またはトランシーバ１１４８とをさらに含む。マイクロコントローラ１１４４に加えて、または代わって、無線センサ１１００は、所望される場合には、無線センサに、より高レベルのデータ処理機能性を与える、１つまたは複数のマイクロプロセッサを含むことができる。この実施形態では、電源１１０４は、各変換器１１４０、マイクロコントローラ１１４４（またはマイクロプロセッサ）、およびトランシーバ１１４８に電力を供給する。各変換器１１４０、マイクロコントローラ１１４４（またはマイクロプロセッサ）、およびトランシーバ１１４８は、従来型の設計でよく、それ故本明細書の中で詳細に説明する必要はないことが当業者には理解されよう。
図１２は、複数のセンサノード１２０４Ａ〜１２０４Ｇおよび中央局１２０８を含む無線センサネットワーク１２００を示す。この例でのセンサノード１２０４Ａ〜１２０４Ｇのそれぞれは、独立型ＰＭＥ ＰＶＥＨ電源（図示せず）を含み、図１１の無線センサ１１００に類似している。この例では、センサノード１２０４Ａ〜１２０４Ｆは、端末ノードであるとみなすことができるのに対して、センサノード１２０４Ｇは、中間ノードとみなすことができる。このような状況において、一般に、端末ノードは、それ自体が感知したデータを収集し、それを別のノード（中間センサ１２０４Ｇなど）または中央局１２０８に向けて送信するだけである。ネットワークがプッシュ型であるかプル型であるかに応じて（および／または他の理由のために）、端末ノードはまた、中央局１２０８から、または中間センサ１２０４Ｇなど、別のノードから、プル要求などの情報を受けることができる。一方、中間センサ１２０４Ｇは、ここではセンサノード１２０４Ｄ〜１２０４Ｆからのデータの受信と、中央局１２０８へのデータの送信の両方を、常時行っている。本開示のＰＭＥ ＰＶＥＨユニットを有するセンサノードに照らして、適切な動作のために、いかにしてセンサノード１２０４Ａ〜１２０４Ｇおよび中央局１２０８を構成するかについては、当業者には容易に理解されよう。
代表的な実施形態を、上で開示し、添付の図面の中で示してきた。本明細書の中で具体的に開示されたものに対して、様々な変更、省略および追加が、本発明の精神および範囲を逸脱することなく実施され得ることは、当業者には理解されよう。

Claims (33)

  1. 横断面特性と、第１の曲げ方向における基本共振周波数と、前記第１の曲げ方向に直交する第２の曲げ方向におけるパラメトリックモード周波数とを有する共振梁を備え、前記断面特性が、前記基本共振周波数を第１の所望の周波数にチューニングしかつ前記パラメトリックモード周波数を第２の所望の周波数にチューニングするように選択され、前記共振梁が、前記第１および第２の曲げ方向のそれぞれにおける前記共振梁の曲げに応答して電気エネルギーを発生するための圧電材料を含む、振動エネルギー収穫器。
  2. 前記共振梁が、前記第１の曲げ方向に対する第１の曲げ軸および前記第２の曲げ方向に対する第２の曲げ軸を有し、前記第１および第２の曲げ軸が第１、第２、第３および第４の四分円を画定し、それにより前記第１および第２の四分円が前記第１の曲げ軸の両側に互いに対向しかつ前記第２および第３の四分円が前記第２の曲げ軸の両側に互いに対向し、前記共振梁が、互いに離隔され、前記第１、第２、第３および第４の四分円のうちの対応するそれぞれの四分円の中に配置される第１、第２、第３および第４の電極をさらに含む、請求項１に記載の振動エネルギー収穫器。
  3. 前記圧電材料の第１の部分が前記第１および第２の電極の間に配置され、前記圧電材料の第２の部分が前記第３および第４の電極の間に配置される、請求項２に記載の振動エネルギー収穫器。
  4. 前記圧電材料の前記第１および第２の部分が互いに離隔される、請求項３に記載の振動エネルギー収穫器。
  5. 前記第１および第２の電極の間に配置され、前記第１および第２の電極から離隔される第５の電極と、前記第３および第４の電極の間に配置され、前記第３および第４の電極から離隔される第６の電極とをさらに備え、前記圧電材料の第１の部分が前記第１および第５の電極の間に配置され、前記圧電材料の第２の部分が前記第４および第６の電極の間に配置され、前記圧電材料の第３の部分が前記第５および第２の電極の間に配置され、前記圧電材料の第４の部分が前記第６および第３の電極の間に配置される、請求項２に記載の振動エネルギー収穫器。
  6. 前記第１および第２の部分が互いに離隔され、前記第３および第４の部分が互いに離隔されている、請求項５に記載の振動エネルギー収穫器。
  7. 前記第５および第６の電極のそれぞれが前記第１の曲げ軸にまたがる、請求項５に記載の振動エネルギー収穫器。
  8. 前記第１、第２、第３、第４、第５および第６の電極のそれぞれと電気的に通じ、前記第１、第２、第３、および第４の四分円のそれぞれから、互いに独立に前記電気エネルギーを収穫するように構成される収穫回路をさらに含む、請求項５に記載の振動エネルギー収穫器。
  9. 前記共振梁が片持ち梁である、請求項１に記載の振動エネルギー収穫器。
  10. 前記基本共振周波数が５０Ｈｚ〜１５００Ｈｚの範囲内にある、請求項１に記載の振動エネルギー収穫器。
  11. 前記基本共振周波数が５０Ｈｚ〜２５０Ｈｚの範囲内にある、請求項１０に記載の振動エネルギー収穫器。
  12. 前記共振梁の前記横断面特性が、前記パラメトリックモード周波数が前記基本共振周波数から５Ｈｚの範囲に入るように選択される、請求項１に記載の振動エネルギー収穫器。
  13. 前記横断面特性が、前記第１の曲げ方向に平行な方向における厚さと、前記第２の曲げ方向に平行な方向における厚さとを含み、前記幅が前記厚さの１〜８倍の範囲にある、請求項１に記載の振動エネルギー収穫器。
  14. 前記幅が前記厚さの１〜３倍の範囲内にある、請求項１３に記載の振動エネルギー収穫器。
  15. 互いに電気的に接続された複数の圧電型振動エネルギー収穫（ＰＶＥＨ）モジュールを備え、前記ＰＶＥＨモジュールのそれぞれが、基本共振の励振およびパラメトリックモードの励振のそれぞれからの電荷を収穫するようにそれぞれ構成される複数のパラメトリックモード可能な（ＰＭＥ）ＰＶＥＨ梁を含む振動エネルギー収穫ユニット。
  16. 前記ＰＭＥ ＰＶＥＨ梁のそれぞれが、パラメトリックモード曲げの中立軸を有し、前記パラメトリックモード曲げの中立軸の両側に配置される第１および第２の圧電性物質／電極の積層体を含む、請求項１５に記載の振動エネルギー収穫ユニット。
  17. 前記第１の圧電性物質／電極の積層体が第１の複数の電極を含み、前記第２の圧電性物質／電極の積層体が前記パラメトリックモード曲げの中立軸を超えて前記第１の複数の電極から離隔された第２の複数の電極を含む、請求項１６に記載の振動エネルギー収穫ユニット。
  18. 前記複数のＰＭＥ ＰＶＥＨ梁のそれぞれがバイモルフ圧電梁である、請求項１６に記載の振動エネルギー収穫ユニット。
  19. 前記複数のＰＶＥＨモジュールのそれぞれの前記複数のＰＭＥ ＰＶＥＨ梁が、共通平面に並行して置かれており、前記複数のＰＶＥＨモジュールが前記共通平面に直交する方向に、互いにしっかり固定されて積み重ねられる、請求項１５に記載の振動エネルギー収穫ユニット。
  20. 前記複数のＰＭＥ ＰＶＥＨ梁が、対応するそれぞれ異なるチューニングを有する複数の組の中に備えられ、前記異なるチューニングが、異なる基本共振周波数および異なるパラメトリックモード周波数を含む、請求項１５に記載の振動エネルギー収穫ユニット。
  21. 前記異なる基本共振周波数のうちの複数の周波数が、前記異なる基本共振周波数のうちの任意の直接隣接する周波数から５Ｈｚ未満だけ異なる、請求項２０に記載の振動エネルギー収穫ユニット。
  22. 前記異なるパラメトリックモード周波数のうちの複数の周波数が、前記異なる基本共振周波数のうちの対応するそれぞれの周波数から５Ｈｚ未満だけ異なる、請求項２１に記載の振動エネルギー収穫ユニット。
  23. 前記複数のＰＭＥ ＰＶＥＨ梁のそれぞれが、基本共振周波数と、前記基本共振周波数から５Ｈｚの範囲内のパラメトリックモード周波数とを有する、請求項１５に記載の振動エネルギー収穫ユニット。
  24. 無線センサであって、
    データを収集するための変換器と、
    前記データを無線センサから離隔された受信機に送信するための無線送信機と、
    前記変換器および無線センサのそれぞれと電気的に通じるパラメトリックモード可能な（ＰＭＥ）圧電型振動エネルギー収穫（ＰＶＥＨ）電源とを備え、
    前記ＰＭＥ ＰＶＥＨ電源が、使用中に前記変換器および前記無線送信機に給電するのに使用するための電力を発生するために、使用時に無線センサ周辺の環境中の振動エネルギーを収拾するように構成される無線センサ。
  25. 前記ＰＭＥ ＰＶＥＨ電源が、それぞれがパラメトリックモード曲げの中立軸を有し、前記パラメトリックモード曲げの中立軸の両側に配置された第１および第２の圧電性物質／電極の積層体を含む複数の共振梁を含む、請求項２４に記載の無線センサ。
  26. 前記第１の圧電性物質／電極の積層体が第１の複数の電極を含み、前記第２の圧電性物質／電極の積層体が、前記パラメトリックモード曲げの中立軸を超えて前記第１の複数の電極から離隔された第２の複数の電極を含む、請求項２５に記載の無線センサ。
  27. 前記複数の梁のそれぞれがバイモルフ圧電梁である、請求項２５に記載の無線センサ。
  28. 前記ＰＭＥ ＰＶＥＨ電源が複数の共振梁をそれぞれ有する複数のモジュールを含み、前記複数のモジュールのそれぞれの前記複数の梁のうちの複数の梁が、共通平面に並行して置かれ、前記複数のモジュールが前記共通平面に直交する方向に、互いにしっかり固定されて積み重ねられる、請求項２３に記載の無線センサ。
  29. 前記ＰＭＥ ＰＶＥＨ電源が対応するそれぞれの異なるチューニングを有する複数の組の中に備えられた複数の共振梁を含み、前記異なるチューニングが異なる基本共振周波数および異なるパラメトリックモード周波数を含む、請求項２３に記載の無線センサ。
  30. 前記異なる基本共振周波数のうちの複数の周波数が、前記異なる基本共振周波数のうちの任意の直接隣接する周波数から５Ｈｚ未満だけ異なる、請求項２８に記載の無線センサ。
  31. 前記異なるパラメトリックモード周波数のうちの複数の周波数が、前記異なる基本共振周波数のうちの対応するそれぞれの周波数から５Ｈｚ未満だけ異なる、請求項２９に記載の無線センサ。
  32. 前記ＰＭＥ ＰＶＥＨ電源が、基本共振周波数と、前記基本共振周波数から５Ｈｚの範囲内にあるパラメトリックモード周波数とをそれぞれ有する複数の共振梁を含む、請求項２４に記載の無線センサ。
  33. 請求項２４に記載の無線センサを複数備える無線センサネットワーク。
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