KR101805372B1 - 자가-발전형 압전-표면 탄성파 장치 및 방법 - Google Patents

자가-발전형 압전-표면 탄성파 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101805372B1
KR101805372B1 KR1020177007365A KR20177007365A KR101805372B1 KR 101805372 B1 KR101805372 B1 KR 101805372B1 KR 1020177007365 A KR1020177007365 A KR 1020177007365A KR 20177007365 A KR20177007365 A KR 20177007365A KR 101805372 B1 KR101805372 B1 KR 101805372B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
saw
cantilever
spring assembly
delete delete
discharge
Prior art date
Application number
KR1020177007365A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170034918A (ko
Inventor
아미트 랄
스티븐 틴
Original Assignee
코넬 유니버시티
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 코넬 유니버시티 filed Critical 코넬 유니버시티
Publication of KR20170034918A publication Critical patent/KR20170034918A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101805372B1 publication Critical patent/KR101805372B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/183—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using impacting bodies
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21H—OBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
    • G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
    • G21H1/02—Cells charged directly by beta radiation
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G05D1/0276—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using signals provided by a source external to the vehicle
    • G05D1/028—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using signals provided by a source external to the vehicle using a RF signal
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K19/00—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
    • G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
    • G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
    • G06K19/0672—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with resonating marks
    • G06K19/0675—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with resonating marks the resonating marks being of the surface acoustic wave [SAW] kind
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator
    • H03B5/326—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator the resonator being an acoustic wave device, e.g. SAW or BAW device
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/05—Holders; Supports
    • H03H9/0538—Constructional combinations of supports or holders with electromechanical or other electronic elements
    • H03H9/0542—Constructional combinations of supports or holders with electromechanical or other electronic elements consisting of a lateral arrangement
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/125—Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/145—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks using surface acoustic waves

Abstract

자체적인 자가-발전형 디바이스는 캔틸레버를 포함하는 스프링 어셈블리를 포함하는 방사성 동위원소-발전형 전류 임펄스 생성기, 및 전류 임펄스 생성기에 병렬 연결된 압전 표면 탄성파(P-SAW) 구조체를 포함한다. 캔틸레버 상에 수집된 β-입자(전자)들의 계속적인 방출로 인해, 전기적으로 절연된 63Ni 박막 상에 양전하들이 축적된다. 축적된 전하는 궁극적으로 방전이 발생할 때까지 캔틸레버를 방사성 동위원소 박막으로 당긴다. 방전은, 방전이 발생하는 캐비티의 RF 모드들을 여기시킬 수 있는 일시적인 전자기장을 생성한다. 압전-SAW 공진기는 방전 어셈플리에 연결되어 RF 주파수 출력을 제어한다. 튜닝된 RF 신호를 생성하는 방법은 입력 펄스를 P-SAW 공진기로 입력하는 단계, 공진 주파수를 여기시키는 단계, 및 공진 주파수로 튜닝된 주파수를 갖는 RF 신호를 출력하는 단계를 포함한다.

Description

자가-발전형 압전-표면 탄성파 장치 및 방법{SELF-POWERED, PIEZO-SURFACE ACOUSTIC WAVE APPARATUS AND METHOD}
본 출원은 2008년 11월 10일 출원된 미국 가출원번호 61/193,251에 의한 우선권을 주장하며, 그 내용은 여기에서 전체적으로 참조로서 도입된다.
본 발명의 실시예는 트랜스폰더(transponder), 원격측정기(telemetry)/수신기, 센서 장치 및 그와 관련된 방법에 관한 것이다. 더욱 바람직하게, 본 발명의 실시예는 내장된 주파수 제어부를 갖는 자가-발전형 장치 및 관련 방법에 관한 것이다. 가장 바람직하게, 본 발명의 실시예는 방사성 동위원소-발전형 압전-표면 탄성파 변환기(transducer) 및 관련 방법들에 관한 것이다.
MEMS(microelectromechanical system)는 보편적으로 일상의 다양한 적용분야에 적용된다. 작은 사이즈의 MEMS 및 이들의 제조 물질들은 집적 회로를 갖는 이들 구조의 집적도를 위한 기회를 자연스럽게 제공하며, 외부 전력원을 필요로 하지 않는 자체 마이크로 시스템들을 제공한다. 사이즈가 작고, 신뢰성이 있으며, 온도에 둔감하고, 오랫동안 동작하는, 긴 수명을 갖는 내부 전력원의 유용성은 이들 자체 마이크로 시스템들의 활용에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 가장 작은 종래의 배터리들조차 이들이 전력을 공급하고 있는 MEMS보다 훨씬 더 클 수도 있으며, 이로써 특정 적용분야를 위한 디바이스의 사이즈 감소가 제한된다. 또한, 종래의 배터리들은 상대적으로 짧은, 즉 종종 며칠에서 많아야 몇 달까지 사용 가능한 수명을 가지며, 고온 또는 저온에서 잘 동작하기 않거나, 전혀 동작하지 않을 수도 있다. 수 개월, 수 년, 및 수십 년 동안 MEMS에 전력을 공급할 수 있는 전력원을 갖는 것이 요구되는 적용분야가 존재한다. 예를 들어, MEMS 기반 센서들은 다양한 구조적 환경적 조건들을 모니터링하고, 이 정보를 광 또는 무선 주파수(RF) 통신을 통해 수신 위치로 송신하는데 활용될 수도 있다. 이러한 디바이스들이 교체 없이 수 년 또는 수십 년 동안 전력을 공급할 수 있는 전력원을 제공받을 수 있다면, 예를 들어, 센서-기반의 디바이스들은 영구적으로 빌딩, 다리 등에 내장될 수 있는데, 이는 외부-공간 리서치(outer space research) 및 통상의 기술자에 의해 착상되는 다른 적용분야에서 활용된다.
더 긴 수명의 전력원에 관한 필요성에 대한 하나 이상의 해결책들은 미국 특허번호 6,479,920 및 7,301,254에 개시되어 있으며, 그 내용은 적용가능한 법률에 의해 허용되는 가장 넓은 정도로, 여기에서 전체적으로 참조로서 도입된다. 전술한 특허번호 6,479,920는 하나의 디바이스를 개시하고 있는데, 여기서 니켈-63과 같은 방사성 동위원소 내의 방사성 붕괴에 의해 방출되는 입자들에 의해 운반되는 에너지가 포착되고, 탄성적 변형가능 요소(elastically deformable element) 내에 저장되는 기계적인 포텐셜 에너지로 변환된다. 전기적인 에너지는 또한 방사성 동위원소가 연결된 전극들 사이에서 형성되는 커패시터 내에 저장된다. 변형가능 요소 내에 저장되는 기계적인 에너지 및 전기적인 에너지의 방출은 다른 기계적인 부분들을 직접 활성화시키는데 활용될 수 있거나, 집적 회로와 같은 전기적인 컴포넌트들을 구동시키기 위해 공급될 수 있는 전기 에너지로 변환될 수 있다. 예를 들어, 디바이스는 단결정 실리콘, 유리 등과 같은 기판을 포함하는데, 연장된 캔틸레버 빔(cantilever beam)이 일단에서 이에 덧붙여지고. 하나의 자유단을 갖는다. 방사성 소스는 빔의 자유단 아래의 기판에 탑재되고, 방사능 방출 입자의 흡입기는 빔의 자유단에 탑재된다. 출력 단자를 갖는 압전 요소는 캔틸레버의 상단 표면에 단단히 고정되는데, 이로써 압전 플레이트는 변형가능 캔틸레버로 변형되거나 플렉싱될 것이다. 바람직하게는, 방사성 동위원소 소스는 전자들을 방출한다. 방출된 전자들은 흡입기에 의해 흡입되고 보유되어, 흡입기를 음으로 충전시키며, 소스는 양의 전하를 보유한다. 전하가 흡입기 및 소스 상에 축적되는 경우, 이들 요소 간의 정전기력이 증가하여, 캔틸레버 빔을 구부리는데, 이로써 흡입기가 소스에 접근하기 시작한다. 특정 길이의 시간이 지난 후, 흡입기가 소스와 전기적으로 접촉하도록 충분히 구부려질 것이며, 이로써 이들 요소 상의 전하는 방전되고 빔이 다시 펴지는데, 구부러진 빔에 저장된 포텐셜 에너지를 방출함에 따라 빔은 나머지 또는 정상 위치로 탄력적으로 돌아간다. 이렇게 하는 경우, 압전 플레이트에 부과되는 변형력(stress)이 방출되는데, 이는 압전 요소의 출력 단자들에서 전력 펄스를 생성한다. 압전 요소에 의해 생성된 전력은 출력 단자로부터 무선 주파수 코일과 같은 부하로 연결될 수도 있다. 코일에 연결된 압전 변환기 요소의 커패시턴스는 특성 주파수(characteristic frequency)에서 전기적인 진동을 생성하는 공진 탱크 회로를 제공하며, 이는 압전 변환기로부터 출력 전압 펄스에 의해 여기된다. 이 전압은 정류되어 다른 전기적인 컴포넌트에 의해 사용되도록 저장형 커패시터에 저장될 수도 있으며, 고주파 진동은 또한 원격 검출기(remote detector)에 의해 검출될 수 있는 무선 (RF) 신호를 제공하는데 활용될 수도 있다. 기계적에서 전기적으로의 변환에 추가하여, 커패시터에 저장된 전하는 갑자기 방전되어, 캔틸레버 구조를 통합한 컨테이너의 기본적인 캐비티(cavity) 모드 전부를 차례로 여기시키는 전류 임펄스를 생성한다. 캐비티에서 압전 요소 전기 회로에 걸쳐 여기된 RF 모드들이 결합될 수도 있다. RF 에너지는 디바이스로부터 멀리까지 방사되어 원거리의 수신기에 의해 픽업될 수 있다.
이러한 디바이스의 단점은 출력 RF 신호의 주파수가 시스템의 등가 커패시턴스 및 인덕턴스에 의해 결정된다는 것이다. 공진 캐비티 및 등가 회로 품질 팩터(quality factor)는 일반적으로 낮은데, 이로써 펄스 내의 에너지는 수신 전자장비에서의 위상 잡음의 존재 하에서 임의의 상당한 거리 이상에서의 정확한 주파수 측정을 방해하는 주파수 범위에 걸쳐 분배된다. 또한, 캐비티 및 회로 공진 주파수는 컴포넌트들의 절연 특성 및 디멘젼(dimension)들의 함수인데, 비-리소그래피 방법(non-lithographic method)들이 일반적으로 디바이스들을 제조하는데 사용됨에 따라 이는 디바이스마다 다를 수 있다. 송신 주파수에 대한 더 엄격한 톨러런스(tolerance)는 하나의 송신기에 주어진 주파수를 특정하고, 좁은 검출 대역에서 잡음이 더 낮아짐에 따라 일반적으로 높은 신호 대 잡음비로 수행될 수 있는 협대역 펄스 측정을 가능하게 하는데 높게 요구된다.
종래 기술과 관련된 단점들과 해결과제들에 대해, 발명자들은 RF 주파수가 정확하게 제어될 수 있는, 여기에서 상술한 바와 같은 자가-발전형 디바이스의 이점들 및 필요성을 인식하고 있다. 발명자는, 예를 들어, 자체 트랜스폰더와 같이, RF 인식 태그(RFID), 자체 센서, 및 통상의 기술자에 의해 인식되는 그 밖의 것과 같은, 데이터 원격 측정 및 전송 디바이스를 포함하는 디바이스의 유리한 적용분야를 더 인식하고 있다.
이러한 장점 및 다른 장점과 이점들은 구체적인 발명에 의해 달성되며, 이는 이하 발명의 상세한 설명 및 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
발명의 일 실시예는 방사성 동위원소 발전형 전류 임펄스(즉, 방전) 생성기 및 상호 연결된 압전-표면 탄성파(P-SAW) 장치를 포함하는 자가-발전형 디바이스이다. 전류 임펄스 생성기는 하나의 기저에 부착된 적어도 하나의 고정단, 및 왕복가능 영역(reciprocable region)을 갖는 캔틸레버를 포함하는 스프링 어셈블리, 및 방사성 입자 이미터(emitter)를 더 포함한다. P-SAW 장치는 전류 임펄스 생성기 및 출력 포트와 전기적으로 병렬 연결된 입력 포트를 갖는다. 스프링 어셈블리의 캔틸레버는 다양한 형상을 취할 수도 있다. 예를 들어, 비-제한적인 양태에서, 캔틸레버는 고정된 근단(proximal end) 및 자유롭게 왕복가능한 말단(distal end)을 갖는 단순형 캔틸레버 빔이다. 비-제한적인 양태에서, 캔틸레버는 2개의 고정단 및 1개의 중간 왕복가능 영역을 갖는 클램프-클램프형(clamped-clamped) 캔틸레버이다. 비-제한적인 양태에서, 캔틸레버는 고정된 근단 및, 방사성 입자 컬렉터를 포함할 수도 있는 자유롭게 왕복가능한 말단을 갖는 서펜틴형(serpentine) 스프링이다. 방사성 동위원소-발전형 전류 임펄스 생성기는 캔틸레버의 왕복가능 영역 또는 캔틸레버의 왕복가능 영역의 위 또는 아래로 일정 거리만큼 떨어진 맞은 편에 스프링 어셈블리에 부착되는 방사성 입자 이미터를 포함한다. 방사성 소스가 스프링 어셈블리 자체에 부착되지 않는 경우, 캔틸레버는 그 폼 팩터(form factor)에도 불구하고, 방사성 소스에 의해 방출되는 전자들을 수집하는 충분한 영역을 가져야 한다. 만약 그렇지 않다면, 방사성 입자 컬렉터는 캔틸레버의 왕복가능 영역에 부착될 수도 있다. 비-제한적인 양태에서, 스프링 어셈블리는 진공 환경에서 P-SAW 장치로 구조적으로 통합된다. 비-제한적인 양태에서, RF 안테나는 P-SAW 출력 포트에 결합될 수 있다. 비-제한적인 양태에서, P-SAW 구조체는, 예를 들어 입력 포트와 하나 이상의 출력 포트 사이에 센서 또는 RFID 태그를 포함할 수 있다. 비-제한적인 양태에 따라, 디바이스는 다수의 전류 임펄스 생성기들과 P-SAW 구조체들을 포함할 수도 있다. 비-제한적인 양태에서, 다수의 방전 캔틸레버들은 상이한 공진 (캐리어) 주파수 P-SAW 구조체들에 연결될 수 있다. 하나의 캔틸레버로부터의 단일 트리거는 단일 수신기에서 수신될 수 있는 다수의 RF 펄스들을 동시에 여기시키며, 다중감지 정보(multisensory information)가 송신되게 한다.
본 발명의 실시예는 튜닝된 신호 주파수를 갖는 RF 신호를 생성하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 충전 사이클 및 방전 사이클을 갖는 자체 방전 시스템으로부터 에너지 펄스를 통해 에너지를 생성하는 단계; 공진 주파수에 의해 특징되는 압전-SAW(P-SAW) 구조체의 입력 포트로 에너지를 입력하는 단계로서, 상기 충전 사이클 동안에는 P-SAW 구조체에서 에너지의 기계적 컴포넌트 및 에너지의 전기적인 컴포넌트를 저장하고, 방전 사이클 동안에는 P-SAW 구조체의 공진 주파수를 여기시키는 단계; 및 P-SAW 구조체의 출력 포트로부터 P-SAW 공진 주파수로 튜닝된 주파수를 갖는 RF 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명에서 개시될 것이며, 여기에 설명된 바와 같은 본 발명을 실시함으로써, 부분적으로 그 설명으로부터 통상의 기술자에게 용이하게 명백하게 되거나 용이하게 인식될 것인데, 이는 다음의 설명, 즉, 첨부 도면뿐만 아니라 청구항도 포함한다.
이전의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 단순히 발명의 예시적인 것으로서, 청구된 바와 같은 본 발명의 본질과 특성을 이해하기 위한 개요 또는 구조를 제공하려는 것이다. 첨부 도면들은 본 발명의 더 나은 이해를 제공하기 위해 포함되어 있으며, 본 명세서의 일부에 도입되거나 이를 구성한다. 도면들은 본 발명의 다양한 실시예를 도시하고 있으며, 설명과 함께 본 발명의 이론 및 작동을 설명하기 위해 제공된다.
본 발명은 첨부 도면들과 함께 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 더 완전히 이해되고 받아들여질 것이다.
도 1은 본 발명의 비-제한적이고 예시적인 양태에 따른 장치의 개략적인 측면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 비-제한적이고 예시적인 양태에 따른 구체화된 디바이스의 스프링 어셈블리의 캔틸레버 폼 팩터들을 도시하고 있다.
도 3은 당업계에 공지된은 방전 컴포넌트의 동작을 도시한 개략도이다.
도 4는 도 1에 도시된 장치 구성의 개략적인 회로도이다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 본 발명의 비-제한적이고 예시적인 양태에 따른 프로토타입 캔틸레버 어셈블리의 사진, 캔틸레버 어셈블리의 개략적인 구조도, 및 등가 회로도이다.
도 6은 본 발명의 비-제한적이고 예시적인 양태에 따른 장치의 개략적인 사시도이다.
도 7은 본 발명의 비-제한적이고 예시적인 양태에 따라, 방전 시스템에 연결된 2-포트 SAW 공진기를 갖는, 도 1에 도시된 바와 같은 프로토타입 장치의 사진이다.
도 8은 충전 공정 동안의 도 1의 P-SAW 트랜스폰더의 간략화된 회로 모델의 개략적인 회로도이다.
도 9는 315 MHz P-SAW 공진기를 포함하는 예시적인 장치로부터 측정된 RF 신호 파형의 그래프이다.
도 10은 도 9에 도시된 검출 신호의 고속 푸리에 변환(FFT)을 도시하고 있다.
도 11은 도 9에 도시된 바와 같은 필터링된 SAW 신호와 필터링된 RF 신호 사이의 시간 지연의 그래프 표현이다.
도 12은 본 발명의 비-제한적이고 예시적인 다른 양태에 따른 장치의 개략적인 측면도이다.
도 13는 도 12에 도시된 장치 구성의 개략적인 회로도이다.
도 14은 본 발명의 비-제한적이고 예시적인 다른 양태에 따른 장치의 개략적인 측면도이다.
도 15은 본 발명의 비-제한적이고 예시적인 다른 양태에 따른 장치의 개략적인 측면도이다.
도 16은 본 발명의 비-제한적이고 예시적인 양태에 따른 장치의 개략적인 사시도이다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 시스템의 동작을 나타내는 미세 제조된 방전 시스템과 통합된 미세 제조된 SAW 공진기의 개략적인 사시도이다.
도 18a는 본 발명의 비-제한적이고 예시적인 실시예에 따른 프로토타입의 다중-장치 디바이스의 사진이고, 도 18b는 도 18a에 도시된 것과 유사한 다중-장치 디바이스의 연결 상태를 개략적으로 도시하고 있다.
도 19는 본 발명의 비-제한적이고 예시적인 양태에 따라 다수의 출력 포트들을 갖는 장치의 개략적인 사시도이다.
도 20은 본 발명의 비-제한적이고 예시적인 양태에 따라 중심 전극이 외부 회로에 연결되는 장치를 개략적으로 도시하고 있다.
도 21은 본 발명의 예시적인 양태에 따라 도 19에 도시된 바와 같은 디바이스 출력의 그래프다.
도 22은 본 발명의 예시적인 양태에 따른 예시적인 디바이스 출력의 그래프이다.
이제 본 발명의 예시적인 실시예에 대해 상세히 설명할 것이며, 이들의 예시들이 첨부된 도면에 도시되어 있다. 가능하다면 동일한 참조부호는 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하는데 사용될 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 방사성 동위원소-발전형 압전-표면 탄성파(P-SAW) 디바이스(100-1)의 단면부를 개략적으로 도시하고 있다. 디바이스(100-1)는 근단(102)이 기저(103)에 단단히 고정되어 있는 단순형 캔틸레버 빔(101)으로 구성되는 스프링 어셈블리(20)를 포함한다. 빔의 말단(104)은 자유롭게 상하로 왕복할 수 있다. 장치는 방사성 동위원소 소스(105), 유전성 절연체(dielectric insulator)(106), 하단 전극(107) 및, 선택적으로, 방사성 동위원소 소스 맞은 편의 빔 말단에 부착되는 방사성 입자(예를 들어, 전자) 컬렉터(108)를 더 포함한다. 이하 더 상세하게 설명하는 바와 같이, 빔 자체는 부착된 별도의 컬렉터 없이도 전자들을 수집할 수 있는 충분한 표면 영역을 가질 수도 있다는 것에 주목한다. 방사성 동위원소 소스 및 (선택적인) 방사성 입자 컬렉터의 상대적인 위치는 뒤바뀔 수 있다. P-SAW 구조체(110)는 디바이스에 전기적으로 연결되어, 그 부분을 형성한다.
도 2a에 예시적으로 도시된 바와 같이, 비록 예시적인 실시예에 대한 다음의 설명은 단순형 캔틸레버 빔(20-1)을 포함하는 스프링 구조에 대해 논하고 있지만, 다른 캔틸레버 폼 팩터들이 채택될 수도 있다. 예를 들어, 도 2b는 클램프-클램프형 캔틸레버(20-2)를 도시하고 있는데, 여기서는 빔의 양단이 모두 고정되고 있고, 빔의 중간 영역이 여기에서 설명하는 바와 같은 방사성 입자의 수집 및 궁극적인 방전에 반응하여 자유롭게 왕복운동한다. 도 2c는 서펜틴형 빔(101)과 같은, 다른 비-제한적 캔틸레버 폼 팩터(20-3)를 도시하고 있다. 도 2c에 더 도시된 바와 같이, 입자 컬렉터(108)는 서펜틴형 빔의 자유 말단에 부착되어 충분한 입자 수집 영역을 제공한다. 따라서, 스프링 어셈블리의 왕복가능 구조의 폼 팩터와 상관없이, 여기에서 “캔틸레버”라는 용어는 이 컴포넌트를 나타내기 위해 사용될 것이다.
적용가능한 법률에 의해 허락되는 최대한의 한도로 전체적으로 그 내용이 여기에서 참조로서 도입되는 미국 특허번호 6,479,920 및 7,301,254로부터 공지된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 양태에 따라 방사성 동위원소 발전형 스프링 어셈블리의 동작이 도 3에 도시되어 있다. 골드 캔틸레버(gold cantilever)(5 cm x 0.8 cm x 300 μm)는 1.5 mCi의 방사능을 갖는 63Ni 방사성 박막 위로 대략 500 μm 거리에 위치되어 있다. 양전하들은 β-입자(전자)들의 계속적인 방출로 인해 전기적으로 절연된 63Ni 박막에 축적되는데, 이는 골드 캔틸레버 상에서 수집된다. 축적된 전하는 시간이 지남에 따라 증가하여, 궁극적으로 캔틸레버를 방사성 동위원소 박막으로 당기는 정전기력을 증가시킨다. 캔틸레버와 방사성 소스 사이의 갭이 충분히 작은 경우, 방전은 이러한 갭을 통해 발생한다. 정전기력이 제거됨에 따라, 빔은 진동하고, 이 공정은 자체적으로 반복된다. 캔틸레버와 방사성 소스 사이의 갭이 약 500 μm인 경우, 예를 들어, 아래로-당김 사이클(pull-down cycle)은 약 3분 정도를 요구한다. 캔틸레버가 소스에 접근함에 따라, 터널링(tunneling) 및 직접 전도-기반 전류는 매우 짧은(< 1 ns) 방전 펄스를 유발시킨다. 캔틸레버의 왕복 주기 동안에 집적된 에너지 또한 매우 짧은 시간 내에 방출되어 방사성 소스로부터 크게 증폭된 전력을 생성한다.
방전은, 방전이 발생한 캐비티의 RF 모드를 여기시킬 수 있는 일시적인 전자기장을 생성한다. 이러한 예시적인 실시예에서, 골드 캔틸레버 및 63Ni 소스 방전 시스템은 도 5a에 도시된 바와 같이 진공상태의 봉인된 작은 유리 진공 챔버 안에 하우징된다. 챔버는 진공 펌프에 연결되어 있으며, 10-2 mTorr 이하로 펌핑된다. 골드 캔틸레버 및 63Ni 소스 모두는 6 mm 두께의 테플론 플레이트(Teflon plate)들을 갖는 자리에 부착되어 있다. 구조 연결상태 및 등가 회로 모델이 도 5b 및 도 5c에 각각 도시되어 있다.
캐비티로부터 전파되는 생성된 RF 모드는 큰 대역폭을 가지며, RF 신호 주파수는 신뢰할 만큼 설정된 것은 아니다. 이는, 예를 들어, 캐비티 형성의 유전 상수의 복소부(complex part) 및 캐비티 금속 경계 조건들에서의 표면 깊이(skin-depth)와 같은 손실에 의해 발생되는 공진기 캐비티의 낮은 품질 팩터로 인한 것일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 압전 결정 기판을 갖는 SAW 공진기(이하 P-SAW라고 지칭함)는, 도 7에 기계적으로 도시되어 있고, 도 4에서 전기적으로 도시된 바와 같이, 캔틸레버 방전 어셈블리에 연결될 수 있다. P-SAW 공진기에서, 공진 주파수는 입력 IDT(173) 및 출력 IDT(174) 사이에 배치되는 선택적인 감지막(175)을 도시하고 있는 도 6에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이 P-SAW의 입력 포트(173)로서 기능하는 상호교차형 전극(interdigitated electrode, IDT)(171)의 핑거들 사이의 갭 λ에 의해 결정된다. 예시적인 실시예에서, P-SAW 공진기는 315 MHz의 공진 주파수를 갖는다. P-SAW가 방전에 의해 입력 IDT(173)에서 여기되는 경우, 탄성(SAW)파는 압전 기판의 표면을 따라 이동하며, 출력 IDT(174)에서 검출된다. P-SAW 디바이스는 2 포트 동작을 가능하게 한다. 방사성 동위원소에 의해 방출되는 전하는 디바이스의 다양한 커패시턴스들 사이에서 공유되는데, 이는 방사성 동위원소와 캔틸레버 사이의 시간-변화 갭 커패시턴스(time-varying gap capacitance), 방사성 동위원소 소스와 패키지 전극 사이의 커패시턴스, 및 캔틸레버와 패키지 전극 사이의 P-SAW 입력 포트 커패시턴스를 포함한다. 배선 및 캔틸레버와 패키지 사이의 유전체로 인한 추가적인 기생 커패시턴스 또한 존재한다. P-SAW 입력 단자들에 사이에 저장된 전하는 압전 기판으로 인한 전극들 하에서 기계적인 변형장(mechanical strain field)을 유발한다. 방전이 발생한 경우, 전류가 입력 포트 사이를 이동함에 따라, P-SAW 입력 전극 상의 전하가 방전된다. 저장된 기계적인 에너지 및 방전 유발 기계적인 에너지는 기계적인 표면파로서 방출되며, 이는 SAW 출력 포트로 전파된다. 입력 포트에서의 임피던스는 순수 커패시턴스가 존재함에 따라 매우 높을 수 있으며, 출력 포트는 임의의 원하는 임피던스, 예를 들어, RF 전자장비와 관련된 50 옴의 임피던스에 연결될 수 있다.
이러한 자가-발전형 P-SAW 트랜스폰더는 도 4에 도시된 바와 같이 표 1에 리스트화된 컴포넌트와 병렬 연결된 SAW 공진기를 갖는 RLC 회로로서 모델링될 수 있다. 도 4의 우측 박스 내의 회로는 방전 시스템을 표현한 것이며, SAW 공진기의 등가 회로는 좌측 박스 내에 도시되어 있으며, 여기서, ZL은 부하 임피던스를 표현한 것이다. 충전 사이클 동안, 전기 에너지는 방전 시스템 커패시터들 및 SAW 공진기 입력 접지-결합 커패시터 모두에 저장되며, 기계적인 에너지는 P-SAW 공진기의 압전 기판 및 캔틸레버에 저장된다. 방전이 갭 사이에서 발생한 경우, 서브-나노초의 고전력 전류 펄스가 갭 사이에서 생성되는데, 이는 수백 나노초 동안 방전 시스템의 RLC 회로에서 진동을 여기시키며, 이와 동시에 SAW 커패시터 및 기판에 저장된 에너지는 P-SAW 공진기를 공진 주파수로 여기시킨다. 신호들 모두는 신호가 입력 IDT로부터 출력 IDT로 SAW 속도로 이동하는데 필요한 시간만큼의 지연을 갖는 SAW 신호로 P-SAW 디바이스의 출력에서 측정된다. 방전 시스템으로부터의 RF 신호는 SAW 통과 시간 지연 없이 용량성 결합을 통해 P-SAW 출력에 도달한다. 출력 포트 사이에서 전압이 증가함에 따라, P-SAW 공진기로부터의 출력에서의 에너지는 RF 링크가 확립될 수 있는 거리를 향상할 수 있다. 충전 공정 동안, SAW 공진기가 여기되지 않기 때문에 도 4의 등가 회로는 도 8에 도시된 것으로 간략화될 수 있다. 출력 SAW 신호의 크기를 증가시킴에 따라, 방전시 노드 A에서의 전압(VA)은 최대가 되어야 한다. 방전 전압은 단지 빔과 방사성 동위원소 소스 사이의 갭에 의해 결정된다. SAW 공진기에 저장된 전체 에너지는 또한 입력 IDT들에서의 핑거들의 개수를 증가시킴으로써, Cin의 값을 증가시켜서 VA를 변화시키지 않고 증가될 수 있다. 따라서, 트랜스폰더의 출력 신호를 증가시키는 하나의 방법은 방전 시스템에서 가능한 동작가능 갭을 최대화하고, P-SAW 디바이스의 입력 IDT에서의 가능한 핑거들의 개수를 최대화하는 것이다. 이는 Cin/Csource의 값을 최대화하는 반면에, Cin + Csource를 상수로 유지하여 왕복 시간을 상수로 유지시킬 것이다.
P-SAW 센서들은 또한 입력 IDT와 출력 IDT 사이에 다양한 감지 특성들을 갖는 막(들) 또는 다른 신호 변조 컴포넌트들을 증착시킴으로써 구현될 수 있는데, 이는 출력 포트에서 검출되는 신호를 변조할 수 있다 (이하 상세히 설명함).
여기에 설명되어 있는 방사성 동위원소-발전형 디바이스 실시예에서, 니켈-63(또는 다른 적당한 방사성 동위원소) 박막으로부터 방출된 전자들 내의 방사성 동위원소 에너지는 캔틸레버를 정전기적으로 충전하는데 사용되는데; 즉, P-SAW 공진기는 SAW 디바이스의 높은 임피던스 포트가 전하 수집 캔틸레버와 병렬이 되도록 연결된다. 캔틸레버 사이에 저장된 전기 에너지가 갑자기 방출되는 경우, 기계 전기적 에너지가 입력 포트에서 방출됨에 따라 P-SAW 공진기는 여기된다.
상술한 프로토타입 디바이스를 테스트하기 위해, 315 MHz SAW 공진기(RPM RP 1239)의 입력은 골드 캔틸레버에 연결되며, 출력은 50 옴의 입력 임피던스를 갖는 높은 대역의 오실로스코프(LeCroy WaveMast 8500)에 연결되었다. 캔틸레버와 방사성 동위원소 소스 사이의 갭은 ~ 500μm로 고정되었으며, 대략 3초의 충전 시간이 주어졌다.
오실로스코프 상에 기록된 트랜스폰더로부터의 RF 신호가 도 9에 도시되어 있다. 신호는 2개의 부분을 포함하는데, 이들은 방전 시스템의 LC 회로로부터 생성되는, 최대 피크-피크 전압이 약 5 V이고 약 100 ns 간 지속되는 RF 신호 및 P-SAW 공진기로부터의 0.2 Vpp를 가지고 ~10μm 간 지속되는 신호이다. P-SAW 펄스에서 전체 에너지는 2 nJ로 계산되었으며, RF 펄스에서의 전체 에너지는 5 nJ(RF 신호 지속시간에 걸쳐 전력을 적분함으로써 계산됨)이었다.
도 9에 도시된 변환 신호(transduced signal)의 FFT가 도 10에 도시되어 있다. 315 MHz P-SAW 디바이스로부터의 신호 컴포넌트는 품질 팩터(Q)가 1540인 것으로 도시되어 있으며, 방전 LC 시스템은 주파수가 274 MHz이고, Q가 60이다. P-SAW 공진 신호는 200 ns의 지연을 갖는데, 이는 각각 315 MHz 및 274 MHz으로 밴드패스-필터링된 신호들을 비교함으로써 측정된다(도 11 참조). 시스템은 또한 434 MHz P-SAW 공진기로 테스트되었다. 품질 팩터가 1560이고, 277 MHz (Q=20)의 방출 RF 주파수를 갖는 434 MHz의 P-SAW 신호가 검출되었다.
또 다른 비-제한적인 양태에 따라, 도 12에 도시된 바와 같이, 방사성 동위원소 발전형 스프링 어셈블리가 진공 하우징 내의 P-SAW 컴포넌트 상에 구조적으로 통합되어 있는 자가-발전형 압전 SAW(P-SAW) 트랜스폰더(100-2)가 설명될 것이다.
장치(100-2)는 도 1에 도시된 바와 같은 장치(100-1)와 동일한 컴포넌트들을 포함한다. 스프링 어셈블리(20)는 근단(102)이 기저(103)에 단단히 고정되어 있는 캔틸레버 빔(101)으로 구성된다. 빔의 말단(104)은 자유롭게 상하로 왕복할 수 있다. 장치는 방사성 동위원소 소스(105), 유전성 절연체(106), 하단 전극(107), 및 (필요에 따라) 방사성 동위원소 입자(예를 들어, 전자) 컬렉터(108)를 더 포함한다. 방사성 동위원소 소스 및 방사성 입자 컬렉터의 상대적 위치는 뒤바뀔 수 있다. P-SAW 변환기(110) 또한 장치의 일부를 형성한다. P-SAW는 IDT 입력 포트(173) 및 적어도 하나의 IDT 출력 포트(174-1)를 갖는다. 또한, 선택적인 통합형 RF 안테나(180)가 출력 포트(174-1)와 연결되는 것으로 도시되어 있다.
도 16(입력 IDT(173)와 단일 출력 IDT(174-1) 사이에 배치된 선택적 감지막(175)을 도시하고 있음)에 도시된 바와 같이, 본 양태에 따라, 미세 제조된 스프링 어셈블리(20)는 구조적으로 P-SAW 컴포넌트(110)와 구조적으로 통합되어 있다. 도 17a 내지 도 17d는 장치(100-2)의 동작을 도시하고 있다. 도 17b에서, 캔틸레버 빔은 63Ni 전자를 수집하며, 63Ni 막이 양으로 충전되게 되는데; 즉, P-SAW 입력 IDT들 또한 충전된다. 전압이 캔틸레버 갭 사이에 축적됨에 따라, 빔 컬렉터 및 이미터 부분들은 방전이 있을 때까지 점점 가까이 당겨진다. 도 17c에 도시된 바와 같이, P-SAW 입력 IDT들에 저장된 에너지는 SAW파를 여기시키며, 이는 P-SAW 출력 IDT들로 전파된다. 도 17d에서, RF 신호는 미세 제조된 RF 안테나를 통해 무선으로 송신된다.
이전과 같이, P-SAW 공진기는 P-SAW 디바이스의 높은 임피던스 포트가 전하 수집 캔틸레버와 병렬 연결되도록 연결된다. 방출된 전하는 P-SAW 포트와 비선형 커패시터 사이에서 공유되며, P-SAW 디바이스에서 직접 변형(direct strain)을 유발시킨다. SAW 펄스는 갑작스러운 전하 방출로 인한 유도 변위 전류(induced displacement current)들 및 변형 방출(strain release)의 결과로서 생성된다. 3 분 내지 5 분간 수집된 P-SAW 공진기 에너지는 수 나노초 내에 방출되며, 이는 마이크로 초의 시간 단위로 SAW 파를 여기시킨다. 이는 108의 수집되고 방출된 전력 증폭을 초래한다.
도 18a에 도시된 바와 같이, 비-제한적 예시 양태에 따라, 30 μm 두께와 4 내지 8 mm의 길이를 갖는 다수의 단결정 캔틸레버가 SOI 웨이퍼 상에 2-단 DRIE(deep reactive ion etch) 공정을 사용하여 미세 가공되었으며, 1 cm x 1 cm x 0.5 cm 진공 패키지 내부에 하우징되어 있는 각각 1.5 밀리퀴리의 63Ni 소스들과 나란히 조립되어 있다. 개별적인 P-SAW 공진기는 128° Y-컷 리튬 니오베이트 웨이퍼 상에 (500 nm 두께의) 알루미늄 리프트-오프(lift-off) 공정을 통해 제조되었다. 다양한 주파수의 P-SAW 공진기 컴포넌트들은 입력 포트 및 출력 포트 모두에서 35 쌍의 상호교차형 변환기(IDT)들로 제조되었다. 시스템의 등가 회로는 도 13에 개략적으로 도시되어 있는 수신기 측과 펄스발생기 측에서의 표 1에 리스트화된 컴포넌트들과 등가인 SAW 인덕턴스로 구성된다. 우측 점선 박스 내의 회로는 방전 캔틸레버를 표현한 것이며, P-SAW 공진기의 등가 회로는 좌측 점선 박스 내에 도시하고 있다. 도 18a에 도시된 바와 같은 진공 패키지는 10-5 Torr 이하로 펌핑되었으며, 패키지의 모서리 상의 솔더 층(solder layer)을 용융시킴으로써 밀봉되었다.
63Ni 방전 시스템에 연결된 100 MHz P-SAW 공진기의 경우, P-SAW RF 출력 신호는 50 Ω 의 오실로스코프 부하에서 측정되었으며, 방전 시스템으로부터의 RF 출력은 안테나를 사용하여 무선으로 측정되었다. 빔 길이가 5 mm인 경우, 방전 시스템으로부터의 RF 신호는 ~ 40의 (낮은) 품질 팩터를 갖는 1.31 GHz의 주파수를 디스플레이하였다. 최대 출력 전력이 5 mW이고, 지속시간이 10 μm인 P-SAW RF 신호를 예시로 나타내었다.
도 18b에 도시된 바와 같이, 다수의 방전 캔틸레버들 및 P-SAW 구조체들이 도 18a에 도시된 바와 같은 진공 패키지에 채택될 수 있다. 비-제한적 양태에서, 캔틸레버 각각은 상이한 P-SAW 구조체들에 연결될 수 있다. 예를 들어, 다수의 P-SAW 구조체들은 상이한 감지막들로 코팅되고, IDT 핑거 간격을 튜닝함으로써 상이한 캐리어 주파수로 설정될 수 있다. 하나의 캔틸레버로부터의 단일 트리거는 다수의 RF 펄스들을 동시에 여기시키는데 사용될 수 있는데, 이는 단일 수신기에서 수신될 수 있으며, 다중감지 정보가 송신되게 한다.
품질 팩터가 400을 초과하는 경우, RFID 신호는 수백 피트 떨어진 곳으로부터 동일한 SAW 튜닝 수신기로 검출될 수도 있다. 캔틸레버에서의 RF 신호 또한 동일한 방전 이벤트에 관해 측정되었으며, 도 22에 도시된 바와 같이, 750 ns의 신호 지연이 P-SAW 신호에 관해 검출되었는데, 이는 입력 IDT와 출력 IDT 사이의 3 mm 갭으로 인한 것이었다.
*시스템의 변환 효율 η는 수집된 방사성 에너지에 의해 분할되는 검출된 SAW 파에서의 에너지로서 정의될 수 있으며, 다음과 같이 표현되는데,
η = ESAW/Erad = (QV2/2Rf)/TrecEeA,
여기서 ESAW 및 Erad는 각각 SAW 출력 에너지 및 방사성 동위원소 입력 에너지이며; Q와 V는 각각 출력 SAW 신호의 품질 팩터 및 전압이며; R은 부하 저항(50 Ω)이며; Trec(180s)는 방전 시스템의 왕복 주기이며, A 및 Ee는 각각 방사성 소스의 방사능 및 평균 전자 에너지(17keV)이다. 여기에 기록된 프로토타입 디바이스는 변환 효율이 0.06 %이다.
통합 RFID 시스템의 변환 효율을 개선하기 위해, 캔틸레버 방전 사이클에서 에너지 변환 공정을 분석하였다. 진공 갭 사이의 누설이 없다고 가정하면, 진공-갭 사이의 방사성 동위원소 방출-전자들이 컬렉터에 도달한 경우, 방사성 동위원소 운동 에너지가 전기기계적 에너지 및 열에너지로 변환된다. 열에너지는 캔틸레버에 분산되어 있는 전자의 운동에너지로 인한 것이며, 전기기계적 에너지는 에어 갭(air gap) 사이, P-SAW 공진기의 입력 포트 사이, 시스템의 다른 커패시턴스들 사이의 캔틸레버에 저장된다.
방전 사이클 내에 열에너지로 변환되는 방사성 에너지의 퍼센트를 감소시키기 위해, 진공 갭 사이의 평균 전압은 갭이 증가함에 따라 증가할 수 있다. 따라서, 더 많은 방사성 동위원소 운동 에너지는 열을 생성하기보다는 방해 전기장(impeding electric field)을 극복함으로써 정전 에너지로 변환될 것이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 단지 P-SAW 구조체의 입력 포트 사이에 저장된 전기기계 에너지만이 출력 RF 신호에 기여하기 때문에, 이들 커패시턴스는 등가 회로에서 다른 커패시턴스가 감소하는 동안에 증가할 수 있다. 임피던스 매칭 및 기생전류 감소 또한 변환 효율 전체를 증가시킬 수도 있다.
예시적으로 미세 제조된 63Ni 방사성 동위원소-발전형 RFID 트랜스폰더는 송신 주파수 선택기로서 P-SAW 구조체로 구현되었다. 이 장치는 1.5 mCi 63Ni 소스를 사용하여 50 Ω 부하 사이에 매 3 초마다 5 mW, 10 μs 길이, 100 MHz 캐리어 포락선 펄스들을 획득하였다. 주파수가 SAW 디바이스에 의해 결정되기 때문에, 동일한 SAW 디바이스에 의한 협대역 검출은 원거리의 RF 링크에 대해서 가능할 것이다.
MEMS 미세 제조 및 진공 패키징을 사용하여, 부피가 1 cc 미만인 통합 장치를 획득하였다. 63Ni의 반감기가 100년이기 때문에, 통합 트랜스폰더는 수십 년 동안 자체적으로 작동할 수 있다. 이러한 디바이스는 강철 및 콘크리트와 같은 구조물 내부에 깊이 매장될 수 있는데, 이 경우 배터리를 교체하고, 진동 또는 EM 에너지를 획득하는 것이 쉽게 수행될 수 없다.
P-SAW 변환기 주파수는 통합되거나 부착된 질량 센서들 또는 RFID 코드에 의해 더 변조될 수도 있다. 도 19에 도시된 바와 같이, 여기 영역과 수신 IDT 쌍들 사이의 코딩된 플로팅 IDT 핑거들(181) 또는 감지막들은 이러한 디바이스로 통합될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 핑거들(181)은 입력 포트(173)와 출력 포트들 중 하나(174-1) 사이에 증착되어 질량-부하 효과를 창출하였으며, 제2 출력 포트(174-2)에서 측정된 신호는 참조로서 사용된다. 캔틸레버 방전 후에, 입력 포트에서 생성된 P-SAW 신호는 양 출력 포트들로 전파된다. 도 21에 도시된 바와 같이, 질량-부하 효과로 인해, 100 MHz의 중심 주파수에서 14 kHz의 주파수 변이가 부하 핑거들을 갖는 출력에서 생성되어, 그 출력에서 빔 노트(beat note)들을 생성하였다.
플로팅이거나 접지된 IDT 핑거들을 사용함으로써 RFID를 구현하는 것에 추가하여, 핑거 전압 값들이 송신될 정도를 표시하도록 각각의 중심 전극 영역은 아날로그 또는 디지털 회로(182)에 의해 제공되는 전압에 의해 구동될 수 있다. 아날로그 전압들은 반사 및 송신 펄스들에 영향을 미치며, 송신 펄스들을 변형시킨다. 이러한 실시예는 도 20에 개략적으로 도시되어 있다.
P-SAW 센서들은 제조되고 장치로 통합되어 소형 자가-발전형 무선 센서 노드를 구현할 수도 있다.
*도 14 및 도 15는 도 1 및 도 12에 도시되어 있는 것에 대안적인 장치 구성들을 도시하고 있다.
컴포넌트 표현 값
Cbeam 빔 접지 커패시턴스 8.3pF
Csource 소스 접지 커패시턴스 8.3pF
I(t) 에어 갭 전류 -
L 방전 시스템 인덕턴스 72nH
Cin 입력 SAW IDT 커패시턴스 2.2pF
Co 출력 SAW IDT 커패시턴스 2.2pF
Lsaw SAW 등가 인덕턴스 758μH
Csaw SAW 등가 커패시턴스 0.337fF
Rsaw SAW 등가 저항 84Ω
본 발명을 설명하는 문맥(특히 다음의 청구항의 문맥)에서의 유사한 참조들 및 "하나(a 및 an)” 및 “그(the)”라는 용어의 사용은, 여기에 다르게 표시되어 있거나 문맥상 명확히 반하지 않는 한 단수 및 복수를 모두 다루는 것으로 해석되어야 한다. “포함하는(comprising, including, 및 containing)” 및 "갖는(having)”이라는 용어들은, 다르게 표시되어 있지않은 한, 개방형 용어(즉, “포함하지만 이들로 제한되는 것은 아닌”이라는 의미임)로 해석되어야 한다. “연결된”이라는 용어는, 중간에 어떤 것이 존재하는 경우에도, 부분적으로 또는 전체적으로 포함되는, 부착되는, 또는 함께 결합되는 것으로 해석되어야 한다.
값들의 범위의 인용은, 여기에서 다르게 표시되어 있지않은 한, 단순히 범위 내에 있는 각각의 별도 값을 개별적으로 지칭하는 간단한 방법으로서 기능하게 하려는 것이며, 각각의 별도 값은 마치 여기에서 개별적으로 인용되는 것처럼 명세서에 도입된다.
여기에서 설명하는 모든 방법들은, 여기에 다르게 표시되어 있거나 문맥상 명확히 반하지 않는 한 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 여기에서 제시되는 임의의 그리고 모든 예시 또는 예시적인 언어(예를 들어, “와 같은”)의 사용은 단순히 본 발명의 실시예를 더 잘 나타내려는 것이며, 청구되지 않는 한 본 발명의 범위에 제한을 부여하는 것은 아니다. 명세서의 어떠한 언어도 청구되지 않은 임의의 구성요소를 본 발명의 실시에 필수적인 것으로서 표시하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 발명은 다양한 수정 및 대안적인 형상으로 변형 가능하며, 그 특정한 예시들은 도면들에 도시되어 있거나 여기에 상세히 설명되어 있다. 다만, 본 발명은 개시된 특정 형상 또는 방법들로 제한되지 않으며, 반대로, 본 발명은 부가된 청구항의 사상 및 범위 내에 있는 모든 수정, 균등물, 및 대안을 다룬다는 것을 이해해야 한다.

Claims (24)

  1. 기저에 부착된 적어도 하나의 고정단 및 왕복가능 영역(reciprocable region)을 갖는 캔틸레버를 포함하는 스프링 어셈블리를 포함하고, 방사성 입자 이미터를 더 포함하는 방사성 동위원소-발전형 전류 임펄스 생성기;
    상기 전류 임펄스 생성기 및 출력 포트와 전기적으로 병렬 연결되는 입력 포트를 포함하는 압전 표면 탄성파(P-SAW) 구조체; 및
    상기 캔틸레버의 왕복가능 영역과, 상기 캔틸레버의 상기 왕복가능 영역의 위 또는 아래로 일정 거리만큼 떨어진 맞은 편의 상기 스프링 어셈블리 중 하나에 부착되는 방사성 입자 수신기를 포함하고,
    상기 방사성 입자 이미터와 방사성 입자 수신기 사이의 동작가능 거리가 최대 거리이고, 상기 입력 포트 및 출력 포트 각각은 복수의 상호교차형 전극들을 포함하고, 상기 입력 포트의 상호교차형 전극들이 최대 개수의 전극 핑거들을 갖는 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 고정된 근단(proximal end) 및 자유롭게 왕복가능한 말단(distal end)을 갖는 단순형 캔틸레버 빔인 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 2 개의 고정단 및 1 개의 중간 왕복가능 영역을 갖는 클램프-클램프형 캔틸레버인 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 고정된 근단 및 자유롭게 왕복가능한 말단을 갖는 서펜틴형(serpentine) 빔인 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    P-SAW의 입력 포트는 상기 캔틸레버의 적어도 하나의 고정단에 인접한 상기 스프링 어셈블리에 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    P-SAW의 입력 포트는 상기 캔틸레버의 상기 왕복가능 영역에 인접한 상기 스프링 어셈블리에 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 어셈블리는 진공 환경에서 P-SAW 변환기로 구조적으로 통합되는 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 어셈블리는 진공 환경에 배치되고, P-SAW 변환기는 비-진공 환경에 배치되는 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    P-SAW의 출력 포트에 결합된 RF 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 포트의 상호교차형 전극들은 P-SAW 변환기의 선택된 공진 주파수를 결정하는 선택된 갭-간격을 갖는 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    복수의 스프링 어셈블리 및 상이한 공진 주파수를 갖는 상호 연결된 P-SAW 구조체들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 P-SAW 구조체는 상기 입력 포트 및 상기 출력 포트의 중간에 배치되는 신호 변조 컴포넌트를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 신호 변조 컴포넌트는 상호교차형 변환기(IDT) 핑거들을 포함하는 RFID 코드 및 질량 센서 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 IDT는 외부 아날로그 회로 및 디지털 회로 중 적어도 하나에 연결되는 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사성 입자 이미터와 상기 방사성 입자 수신기 사이의 거리는 에너지 출력을 최대화하는 최대 동작가능 거리인 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  16. 제 1 항에 있어서,
    니켈-63 방사성 동위원소 발전형 P-SAW 구조체인 것을 특징으로 하는 자가-발전형 디바이스.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
KR1020177007365A 2008-11-10 2009-11-10 자가-발전형 압전-표면 탄성파 장치 및 방법 KR101805372B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US19325108P 2008-11-10 2008-11-10
US61/193,251 2008-11-10
PCT/US2009/063855 WO2010054368A2 (en) 2008-11-10 2009-11-10 Self-powered, piezo-surface acoustic wave apparatus and method

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020117013126A Division KR20110093878A (ko) 2008-11-10 2009-11-10 자가-발전형 압전-표면 탄성파 장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170034918A KR20170034918A (ko) 2017-03-29
KR101805372B1 true KR101805372B1 (ko) 2017-12-07

Family

ID=42153645

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177007365A KR101805372B1 (ko) 2008-11-10 2009-11-10 자가-발전형 압전-표면 탄성파 장치 및 방법
KR1020167020153A KR101729992B1 (ko) 2008-11-10 2009-11-10 자가-발전형 압전-표면 탄성파 방법
KR1020117013126A KR20110093878A (ko) 2008-11-10 2009-11-10 자가-발전형 압전-표면 탄성파 장치 및 방법

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020167020153A KR101729992B1 (ko) 2008-11-10 2009-11-10 자가-발전형 압전-표면 탄성파 방법
KR1020117013126A KR20110093878A (ko) 2008-11-10 2009-11-10 자가-발전형 압전-표면 탄성파 장치 및 방법

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8860553B2 (ko)
KR (3) KR101805372B1 (ko)
CN (1) CN102273059B (ko)
WO (1) WO2010054368A2 (ko)

Families Citing this family (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8451070B2 (en) * 2010-09-09 2013-05-28 Raytheon Company Self-powered microelectromechanical oscillator
US9762150B2 (en) 2011-09-13 2017-09-12 Mide Technology Corporation Self-powered sensor system
US8907289B2 (en) * 2012-04-19 2014-12-09 Schlumberger Technology Corporation Subatomic particle detector capable of ignoring shock induced counts
RU2486665C1 (ru) * 2012-05-05 2013-06-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс" Радиочастотное устройство идентификации на поверхностных акустических волнах
US9494559B2 (en) * 2012-10-16 2016-11-15 Avery Dennison Retail Information Services, Llc System and method for RFID-based remote material analysis
US9798902B2 (en) 2012-10-25 2017-10-24 Mide Technology Corporation Self-powered anti-tamper sensors
US9913321B2 (en) * 2013-01-25 2018-03-06 Energyield, Llc Energy harvesting container
CN103227227B (zh) * 2013-04-23 2016-07-06 重庆大学 基于碳纳米管和放电回路的光供能采集器
CN103346694A (zh) * 2013-06-09 2013-10-09 上海交通大学 基于环状叉指电极的压电微型能量采集器及其制备方法
DE102013220713B4 (de) * 2013-10-14 2017-02-09 Ihp Gmbh - Innovations For High Performance Microelectronics / Leibniz-Institut Für Innovative Mikroelektronik Aufweckempfängerschaltung
CN105222949B (zh) * 2014-06-24 2018-04-13 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 测试真空度的方法和装置
CN104370272B (zh) * 2014-10-30 2016-07-06 无锡微奥科技有限公司 一种mems自对准高低梳齿及其制造方法
CN104836479B (zh) * 2015-05-15 2017-03-08 黄冈师范学院 利用温差新能源的发电装置
CN104949745A (zh) * 2015-06-02 2015-09-30 张一熙 可自行充电的太阳能电子秤
US10463864B2 (en) * 2015-09-15 2019-11-05 The Regents Of The University Of Michigan Energy harvesting for leadless pacemakers
CN105427913B (zh) * 2015-12-29 2017-05-17 兰州大学 一种基于pzt下的动态型同位素电池及其制备方法
CN105741900B (zh) * 2016-03-02 2017-11-03 京东方科技集团股份有限公司 微机电系统核电池
US9906206B2 (en) * 2016-06-20 2018-02-27 Ishiang Shih Tunable surface acoustic wave resonators and filters
JP7233803B2 (ja) * 2017-08-17 2023-03-07 東京エレクトロン株式会社 工業用製造機器における特性をリアルタイム感知するための装置及び方法
US10122475B1 (en) * 2017-11-14 2018-11-06 Honeywell International Inc. Systems and methods for generating and transmitting ULF/VLF signals
WO2019218164A1 (zh) * 2018-05-15 2019-11-21 南方科技大学 摩擦发光同位素电池
US11289236B2 (en) 2018-06-14 2022-03-29 Westinghouse Electric Company Llc Combination reactor gamma radiation power harvesting reactor power distribution measurement, and support to coolant freezing protection system for liquid metal and molten salt-cooled reactor systems
US11250967B2 (en) * 2018-06-14 2022-02-15 Westinghouse Electric Company Llc Method and apparatus for enhancing the electrical power output of a nuclear reactor power generation system
WO2019245729A1 (en) 2018-06-18 2019-12-26 Tokyo Electron Limited Reduced interference, real-time sensing of properties in manufacturing equipment
CN109217714B (zh) * 2018-09-04 2020-05-15 南京航空航天大学 一种基于前馈自适应补偿的自感应压电驱动电路
CN109887635B (zh) * 2019-01-22 2020-09-15 兰州大学 一种基于风铃式pzt换能组件的同位素电池及其制备方法
KR102603974B1 (ko) 2020-12-14 2023-11-21 한국재료연구원 고출력 하이브리드 자기-기계-전기 발전기
JP7245860B2 (ja) * 2021-03-09 2023-03-24 公益財団法人電磁材料研究所 振動発電素子
CN114046916B (zh) * 2022-01-12 2023-03-24 南通大学 基于声表面波传感器的自供电压力测量系统及其工作方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020014119A1 (en) 2000-07-21 2002-02-07 Williams John T. Surface acoustic wave (SAW) accelerometer
US20020175597A1 (en) 2001-05-23 2002-11-28 Arvind Raman Piezoelectric device with feedback sensor
US20060000285A1 (en) 2003-12-09 2006-01-05 Edmonson Peter J Surface acoustic wave sensor or identification device with biosensing capability
US20070145861A1 (en) 2005-11-18 2007-06-28 Par Technologies, Llc Human powered piezoelectric power generating device

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4010679A (en) * 1967-09-25 1977-03-08 International Measurement & Control Co. Piezoelectric transducer sensor for use in a press
FR2563959B1 (fr) * 1984-05-04 1990-08-10 Lewiner Jacques Perfectionnements aux transducteurs electro-acoustiques a electret
US4676104A (en) 1985-08-06 1987-06-30 United Technologies Corporation Surface skimming bulk acoustic wave accelerometer
US4746830A (en) 1986-03-14 1988-05-24 Holland William R Electronic surveillance and identification
US5291165A (en) 1992-09-11 1994-03-01 Westinghouse Electric Corp. Insulating barriers for circuit breaker bus bars and a ground fault circuit breaker incorporating same
US5371429A (en) * 1993-09-28 1994-12-06 Misonix, Inc. Electromechanical transducer device
US5469170A (en) 1994-10-20 1995-11-21 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Passive SAW-ID tags using a chirp transducer
US7602313B2 (en) 1995-06-07 2009-10-13 Intelligent Technologies International, Inc. License plate including transponder
US5682400A (en) 1995-09-27 1997-10-28 Krasnov; Alexander V. Supersonic and subsonic laser with high frequency discharge excitation
US5825839A (en) 1996-03-05 1998-10-20 Baskis; Paul T. Method and apparatus for converting radioactive materials to electrical energy
DE59708965D1 (de) 1996-05-07 2003-01-23 Hera Rotterdam Bv Verfahren zum durchführen einer berührungslosen fernabfrage
GB9622654D0 (en) 1996-10-31 1997-01-08 Flowers James E Filters
EP0961404B1 (en) 1998-05-29 2008-07-02 Fujitsu Limited Surface-acoustic-wave filter having an improved suppression outside a pass-band
US6535545B1 (en) * 1999-10-15 2003-03-18 Rf Waves Ltd. RF modem utilizing saw resonator and correlator and communications transceiver constructed therefrom
JP3480445B2 (ja) 2001-01-10 2003-12-22 株式会社村田製作所 弾性表面波装置
US6479920B1 (en) 2001-04-09 2002-11-12 Wisconsin Alumni Research Foundation Direct charge radioisotope activation and power generation
AU2003237839A1 (en) * 2002-05-13 2003-11-11 University Of Florida Resonant energy mems array and system including dynamically modifiable power processor
DE10221420A1 (de) 2002-05-14 2003-12-11 Enocean Gmbh Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie
JP4058044B2 (ja) 2002-06-26 2008-03-05 エルジー イノテック カンパニー リミテッド 単結晶基板およびそのカット方法
US6827281B2 (en) * 2002-12-20 2004-12-07 P. J. Edmonson Ltd. Encoded SAW RFID tags and sensors for multi-user detection using IDT finger phase modulation
JP2006254281A (ja) 2005-03-14 2006-09-21 Toshiba Corp フィルタ回路および無線装置
US7301254B1 (en) 2005-07-22 2007-11-27 Cornell Research Foundation, Inc. High efficiency radio isotope energy converters using both charge and kinetic energy of emitted particles
US7380454B2 (en) * 2005-12-20 2008-06-03 Honeywell International Inc. Load beam for surface acoustic wave accelerometer
CA2659839C (en) * 2006-08-14 2012-03-20 Liangju Lu Vibration power generation
US7586238B2 (en) * 2006-08-17 2009-09-08 Freescale Semiconductor, Inc. Control and testing of a micro electromechanical switch having a piezo element
US7667369B2 (en) 2006-11-01 2010-02-23 Delaware Capital Formation, Inc. High sensitivity microsensors based on flexure induced frequency effects

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020014119A1 (en) 2000-07-21 2002-02-07 Williams John T. Surface acoustic wave (SAW) accelerometer
US20020175597A1 (en) 2001-05-23 2002-11-28 Arvind Raman Piezoelectric device with feedback sensor
US20060000285A1 (en) 2003-12-09 2006-01-05 Edmonson Peter J Surface acoustic wave sensor or identification device with biosensing capability
US20070145861A1 (en) 2005-11-18 2007-06-28 Par Technologies, Llc Human powered piezoelectric power generating device

Also Published As

Publication number Publication date
KR101729992B1 (ko) 2017-04-25
KR20160092043A (ko) 2016-08-03
KR20110093878A (ko) 2011-08-18
US8860553B2 (en) 2014-10-14
KR20170034918A (ko) 2017-03-29
WO2010054368A3 (en) 2010-07-29
US20110241839A1 (en) 2011-10-06
CN102273059A (zh) 2011-12-07
CN102273059B (zh) 2014-05-28
WO2010054368A2 (en) 2010-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101805372B1 (ko) 자가-발전형 압전-표면 탄성파 장치 및 방법
US7301254B1 (en) High efficiency radio isotope energy converters using both charge and kinetic energy of emitted particles
Hoffmann et al. Fabrication, characterization and modelling of electrostatic micro-generators
US6479920B1 (en) Direct charge radioisotope activation and power generation
Chiu et al. A capacitive vibration-to-electricity energy converter with integrated mechanical switches
Basset et al. A batch-fabricated and electret-free silicon electrostatic vibration energy harvester
Saxena et al. Design and development of guided four beam cantilever type MEMS based piezoelectric energy harvester
KR101053256B1 (ko) 에너지 하베스터
van Schaijk et al. A MEMS vibration energy harvester for automotive applications
CN108862184A (zh) 一种同位素电池供能的谐振式声表面波无线传感器
Toshiyoshi MEMS vibrational energy harvester for IoT wireless sensors
Duggirala et al. Radioisotope thin-film fueled microfabricated reciprocating electromechanical power generator
Zhang et al. Electret-based electrostatic energy harvesting device with the MEMS technology
Tin et al. A radioisotope-powered surface acoustic wave transponder
Vysotskyi et al. Dynamic analysis of a novel two-sided nonlinear MEMS electrostatic energy harvester
Tin et al. Self-powered discharge-based wireless transmitter
Tin et al. Saw-based radioisotope-powered wireless rfid/rf transponder
Duggirala et al. An autonomous self-powered acoustic transmitter using radioactive thin films
Paracha et al. A high power density electrostatic vibration-to-electric energy converter based on an in-plane overlap plate (IPOP) mechanism
Khbeis et al. Development of a simplified hybrid ambient low frequency, low intensity vibration energy scavenger system
Tin Radio frequency pulsed signal transmitter utilizing radioisotope-powered self-triggered electrostatic discharge system
Tin et al. Radioisotope-powered impulse radio frequency sensor node
Kan et al. Self-powered IC-compatible DC bias for electrostatic resonators
Zhang et al. Two mechanical tuning schemes to improve the bandwidth of electret-based electrostatic energy harvester
Li et al. Radioactively powered pressure transducer with RF pulse output

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right