KR20120026028A - An apparatus for generating power responsive to mechanical vibration - Google Patents
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Abstract
복수의 일체형 유연성 영역을 구비하는 기판; 적어도 하나의 강자성 질량체가 기판 가속에 응하여 기판에 대해 이동하도록 대응하는 하나 이상의 일체형 유연성 영역에 각각 결합되는 적어도 2개의 강자성 질량체로서, 각각의 강자성 질량체는 내부 자극이 플럭스 갭에 의해 분리되도록 배치되는 내부 자극을 구비하고, 플럭스 갭의 대향측들의 내부 자극의 자극성은 유사하며, 내부 자극은 플럭스 갭 내에 급경사 플럭스 구배 영역을 형성하는 적어도 2개의 강자성 질량체; 및 기판에 결합되는 코일로서, 코일이 기판에 대한 적어도 하나의 강자성 질량체의 운동으로부터 발생하는 변화하는 자속에 노출되는 급경사 플럭스 구배 영역 내에 배치되는 코일을 포함하는 진동 에너지 획득 장치.A substrate having a plurality of integral flexible regions; At least two ferromagnetic masses each coupled to a corresponding one or more integral flexible regions such that the at least one ferromagnetic mass moves relative to the substrate in response to substrate acceleration, each ferromagnetic mass having an interior disposed such that the inner magnetic poles are separated by a flux gap At least two ferromagnetic masses having magnetic poles, wherein the magnetic poles of the inner magnetic poles on opposite sides of the flux gap are similar, the inner magnetic poles forming a steep flux gradient region within the flux gap; And a coil coupled to the substrate, wherein the coil is disposed within a steep flux gradient region exposed to varying magnetic flux resulting from the movement of the at least one ferromagnetic mass relative to the substrate.
Description
<정부 이익의 성명서>Statement of Government Interest
본 명세서에 기재된 본 발명은 이것에 대한 또는 이것을 위한 어떠한 특허권 사용료의 지불 없이 정부 목적을 위해 미합중국의 정부에 의해 또는 미합중국의 정부를 위해 제조되고 사용될 수 있다.The invention described herein may be manufactured and used by the government of the United States or for the government of the United States for government purposes without payment of any royalties to or for this purpose.
<연방 정부가 후원하는 연구 및 개발>Federal Government-sponsored research and development
본 출원은 미국 정부에 양도되고, 상용 목적을 위한 인가에 이용가능하다. 정부 목적을 위해 사용될 때 어떠한 인가도 필요 없다. 인가 및 기술적 문의는 캘리포니아주 92152 샌디에이고 코드 20012 샌디에이고 스페이스 앤드 네이블 워페어 시스템즈 센터 특허 변호사 사무소; 전화 (619)553-3001, 팩시밀리 (619)553-3821로 송신되어야 한다. 참조 네이비 케이스 # 99735.This application is assigned to the United States Government and is available for licensing for commercial purposes. No authorization is required when used for governmental purposes. For licensing and technical inquiries, call 92152 San Diego, California Code 20012, San Diego Space and Navel Warfare Systems Center Patent Attorneys Office; Call (619) 553-3001, fax (619) 553-3821. See navy case # 99735.
의료용 임플란트 및 건축물 내의 임베디드 센서(embedded sensor)와 같은 응용에서 소형 센서 분야에 대한 관심이 증가하고 있다. 마이크로-전자-기계 시스템(micro-electro-mechanical systems: MEMS) 기술의 한가지 계획된 목적은 의료, 차량, 제조, 로봇 공학, 및 가정용 응용을 위한 저비용 및 고성능 분산 센서 시스템을 개발하는 것이다. 거의 관심을 받지 못했던 한가지 분야는 이러한 센서 요소에 요구되는 전력을 어떻게 효과적으로 공급하는가이다. 많은 응용은 센서가 외부계(outside world)로의 물리적 연결 없이 구조체 내에 완전히 매립될 것을 필요로 한다. 이상적으로, 이들 분산 시스템의 요소는 상호연결, 전자 잡음(electronic noise) 및 제어 시스템 복잡성에 관계된 문제를 감소시키기 위해 자체의 일체형 전원 공급 장치를 구비한다. 일체형 화학-기반 전원 공급 장치를 MEMS 장치로 개발하기 위한 노력이 진행 중이다. 화학적 전원 공급 장치(배터리) 기술이 이러한 응용을 위해 잘 개발되어 있지만, 보관 수명 또는 교체 접근성이 제한 요인인 경우에, 화학적 전원 공급 장치는 그 응용에 적합하지 않을 수 있다. 이러한 시스템에 전력을 공급하기 위한 다른 접근법은 센서 요소 내에 재생가능 전원 공급 장치를 포함시켜 그것들을 자가발전형(self-powered) 마이크로시스템으로 만드는 것이다.There is a growing interest in the field of small sensors in applications such as medical implants and embedded sensors in buildings. One planned purpose of micro-electro-mechanical systems (MEMS) technology is to develop low cost and high performance distributed sensor systems for medical, vehicle, manufacturing, robotics, and home applications. One area that has received little attention is how to effectively supply the power required for these sensor elements. Many applications require the sensor to be completely embedded in the structure without physical connection to the outside world. Ideally, the elements of these distributed systems have their own integrated power supplies to reduce the problems associated with interconnect, electronic noise and control system complexity. Efforts are underway to develop integrated chemical-based power supplies into MEMS devices. Although chemical power supply (battery) technology is well developed for this application, where shelf life or replacement accessibility is a limiting factor, the chemical power supply may not be suitable for that application. Another approach to powering such systems is to include renewable power supplies within the sensor elements to make them self-powered microsystems.
재생가능 전원 공급 장치는 환경 내의 기존 에너지원으로부터 획득된 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다. 바람직한 에너지원은 응용에 의존한다. 몇몇 가능한 에너지원은 일광과 같은 주변 광으로부터의 광학 에너지, 온도 구배를 가로질러 획득된 열 에너지, 액체 또는 기체 압력 구배를 가로질러 획득된 체적 유동 에너지, 및 움직임 및 진동으로부터 획득된 기계적 에너지를 포함한다. 이들 에너지원 중, 광 및 열 에너지는 이미 마이크로-전원 공급 장치에 사용되도록 개발되었다. 그러나, 의료용 임플란트에서와 같이 불충분한 양의 광 또는 열 에너지가 존재하는 많은 응용이 있다. 따라서, 당업자는 주위의 기계적 에너지로부터 전기를 발생시키는 많은 상이한 전원 공급 장치를 제안하였다. 우리의 몸의 움직임으로부터 컴퓨터의 잡음(hum)까지, 환경 내에 내재하는 주위의 기계적 진동이 10 내지 50 μW/cc의 일정한 전력 밀도를 제공할 수 있다.Renewable power supplies convert energy obtained from existing energy sources in the environment into electrical energy. Preferred energy sources depend on the application. Some possible energy sources include optical energy from ambient light, such as daylight, thermal energy obtained across a temperature gradient, volumetric flow energy obtained across a liquid or gas pressure gradient, and mechanical energy obtained from motion and vibration. do. Of these energy sources, light and thermal energy have already been developed for use in micro-power supplies. However, there are many applications where insufficient amounts of light or thermal energy exist, such as in medical implants. Thus, those skilled in the art have proposed many different power supplies that generate electricity from ambient mechanical energy. From the movement of our body to the hum of a computer, the ambient mechanical vibrations inherent in the environment can provide a constant power density of 10-50 μW / cc.
예를 들어 몇몇 당업자가 초보적인 진동-기반 발전기를 셰필드 대학교에서[C.B. Williams, R.B. Yates, "Analysis of a micro-electric generator for micro-systems," 8th Intl. Conf. on Solid-State Sens. & Actuators, Stockholm, Sweden, 25-29Jun1995, 87-B4, pp. 369-72] 그리고 매사추세츠 공과 대학교에서[Scott Meninger, Jose Oscar Mur-Miranda, Rajeevan Amirtharajah, Anantha P. Chandrakasan, and Jeffrey H. Lang, "Vibration-to-Electric Energy Conversion," IEEE Trans, on VLSI Systems Vol. 9, No. 1, pp. 64-76, Feb 2001] 제안하였다. 메닝거(Meninger) 등은 가변 커패시터의 진동-유발 변화에 의해 생성되는 전압을 축적함으로써 진동 에너지를 획득하는 마이크로-발전기를 기술한다.For example, some skilled artisans have found rudimentary vibration-based generators at Sheffield University [C.B. Williams, R. B. Yates, "Analysis of a micro-electric generator for micro-systems," 8th Intl. Conf. on Solid-State Sens. & Actuators, Stockholm, Sweden, 25-29 Jun 1995, 87-B4, pp. 369-72] and at the Massachusetts Institute of Technology [Scott Meninger, Jose Oscar Mur-Miranda, Rajeevan Amirtharajah, Anantha P. Chandrakasan, and Jeffrey H. Lang, "Vibration-to-Electric Energy Conversion," IEEE Trans, on VLSI Systems Vol. . 9, No. 1, pp. 64-76, Feb 2001]. Meninger et al. Describe a micro-generator that obtains vibrational energy by accumulating the voltage generated by vibration-induced changes in the variable capacitor.
다른 당업자는 최근에 이전의 노력을 개선하였다. 예를 들어, 칭(Ching) 등은 기성품(off-the-shelf) 회로를 구동시키기에 충분한 전력을 갖는 미세기계가공된 발전기를 기술한다[Neil N.H. Ching, H.Y Wong, Wen J. Li, Philip H. W. Leong, and Zhiyu Wen, "A laser-micro-machined multi-modal resonating power transducer for wireless sensing systems," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 97-98, pp.685-690, 2002.]. 이 작업을 위해서, 칭 등은 그 진동-유발 발전기를 구축하기 위해 미세기계가공 방법을 선호하는데, 왜냐하면 이 방법이 발전기 효율에 필요한 기계적 공진의 정확한 제어, 및 상용화 가능한 발전기의 저비용 대량 생산을 위한 일괄 제작성(batch fabricability)을 제공하기 때문이다. 유사하게, 윌리엄스(Williams) 등은 그 후에, 역시 미세기계가공에 의해 제작된, 이전의 이론적 분석에 따라 구축된 단순 관성 발전기를 기술한다[C.B. Williams, C. Shearwood, M.A. Harradine, P.H. Mellor, T.S. Birch and R.B. Yates, "Development of an electromagnetic micro-generator," IEE Proc. -Circuits Devices Syst., Vol. 148, No. 6, pp. 337-342, Dec 2001]. 다른 예는 리(Li) 등에 의해 기술된 레이저-미세기계가공된 전자기 발전기를 포함하며[Wen J. Li, Terry C.H. Ho, Gordon M.H. Chan, Philip H.W. Leong and Hui Yung Wong, "Infrared Signal Transmission by a Laser-Micro-machined Vibration- Induced Power Generator," Proc. 43rd IEEE Midwest Symp. on Circuits and Systems, Lansing MI, 08-11Aug2000, pp236-9], 이것은 64-120 Hz 영역에서 250 미크론 진동을 받는 때 매 분마다 140ms 펄스 트레인을 보내기에 충분한 2VDC 전력을 제공한다.Others have recently improved on previous efforts. For example, Ching et al. Describe micromachined generators with sufficient power to drive off-the-shelf circuits [Neil N.H. Ching, H.Y Wong, Wen J. Li, Philip H. W. Leong, and Zhiyu Wen, "A laser-micro-machined multi-modal resonating power transducer for wireless sensing systems," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 97-98, pp. 685-690, 2002.]. For this task, Ching et al. Prefer micromachining methods to build their vibration-induced generators, because they provide precise control of the mechanical resonances needed for generator efficiency, and batches for low-cost mass production of commercially available generators. This is because it provides batch fabricability. Similarly, Williams et al. Then describe a simple inertial generator built according to a previous theoretical analysis, also produced by micromachining [C.B. Williams, C. Shearwood, M.A. Harradine, P.H. Mellor, T.S. Birch and R.B. Yates, "Development of an electromagnetic micro-generator," IEE Proc. -Circuits Devices Syst., Vol. 148, No. 6, pp. 337-342, Dec 2001]. Other examples include laser-micronized electromagnetic generators described by Li et al. [Wen J. Li, Terry C.H. Ho, Gordon M.H. Chan, Philip H.W. Leong and Hui Yung Wong, "Infrared Signal Transmission by a Laser-Micro-machined Vibration- Induced Power Generator," Proc. 43rd IEEE Midwest Symp. on Circuits and Systems, Lansing MI, 08-11Aug2000, pp236-9], which provides enough 2VDC power to send a 140ms pulse train every minute when subjected to 250 micron vibration in the 64-120 Hz region.
미국 특허 제6,127,812호에서, 게초(Ghezzo) 등은 커패시터 플레이트 또는 유전체 재료의 움직임에 응하여 커패시턴스 및 전압 변화를 겪는 커패시터를 포함하는 에너지 추출기를 기술한다. 일 실시예에서, 변화하는 커패시턴스의 두 커패시터를 생성하기 위해 제1 및 제2 플레이트 사이에 제3 플레이트가 위치된다. 다른 실시예에서, 하나의 커패시터 플레이트는 다른 커패시터 플레이트를 가로지르는 움직임을 허용하는 가요성 암에 의해 부착된다. 위의 커패시터는 단독으로 또는 하나 이상의 다른 커패시터와 함께 사용될 수 있고, 재충전가능 에너지원에 전력을 공급하기 위해 개별적으로 또는 단계적으로(cascaded arragement) 정류된다. 위의 커패시터는 다이오드와 같은 지원 전자 장치와 함께 기판상에 제조될 수 있다. 게초 등은 변화하는 커패시턴스를 채용하고, 전자기 마이크로-발전기를 제조하는 과제에 대한 어떠한 해법도 고려하거나 제안하지 않는다.In US Pat. No. 6,127,812, Ghezzo et al. Describe an energy extractor comprising a capacitor that undergoes capacitance and voltage changes in response to movement of the capacitor plate or dielectric material. In one embodiment, a third plate is positioned between the first and second plates to produce two capacitors of varying capacitance. In another embodiment, one capacitor plate is attached by a flexible arm that allows movement across the other capacitor plate. The above capacitors can be used alone or in combination with one or more other capacitors and are rectified individually or cascaded to power a rechargeable energy source. The capacitor above can be fabricated on a substrate with a supporting electronic device such as a diode. Gecho et al. Employ varying capacitances and do not consider or suggest any solution to the task of manufacturing electromagnetic micro-generators.
미국 특허 제6,722,206 B2호에서, 다케다(Takeda)는 다른 전자기 재료 요소가 자성 부재에 의해 생성된 자기장을 받도록 기판에 장착된 자성 재료의 요소를 구비한 힘 감지 장치를 기술한다. 이동가능 부재가 진동에 응하여 발진하도록 장착되고, 이러한 발진은 전자기 재료가 겪는 자기장을 변화시켜, 전자기 재료의 전기적 특성을 변화시킨다. 다케다는 전자기 마이크로-발전기를 제조하는 과제에 대한 어떠한 해법도 고려하거나 제안하지 않는다.In US Pat. No. 6,722,206 B2, Takeda describes a force sensing device with elements of magnetic material mounted to a substrate such that other electromagnetic material elements receive a magnetic field generated by the magnetic member. The movable member is mounted to oscillate in response to vibration, which oscillates the magnetic field experienced by the electromagnetic material, thereby changing the electrical properties of the electromagnetic material. Takeda does not consider or suggest any solution to the task of manufacturing electromagnetic micro-generators.
몇몇 당업자의 노력에도 불구하고, 오늘날의 마이크로칩을 작동시키기에 충분한 전력을 발생시킬 수 있는, MEMS 규모로 대량으로 저렴하게 제조하기에 적합한 전자기 마이크로-발전기의 필요성이 당업계에 여전히 존재한다. 당업계에 공지된 전자기 장치는 모두 일반적으로 인근의 정지(stationary) 코일에서 자속을 변화시키기 위해 스프링 요소 상에서 발진하는 단일 자성 질량체를 채용한다. 따라서, 이들 장치는 단일 자석의 제한된 질량, 단일 자석의 플럭스 필드 내의 코일의 수의 제한된 여지 및 그것에 노출된 단일 자극으로 인한 코일에서 입수가능한 제한된 플럭스 경사에 의해 전력 출력 용량에서 제한된다. 이들 미해소된 문제 및 결함은 당업계에서 명확하게 인지되고, 본 발명에 의해 후술되는 방식으로 해소된다.Despite the efforts of some of those skilled in the art, there is still a need in the art for an electromagnetic micro-generator suitable for mass production inexpensively on a MEMS scale that can generate enough power to operate today's microchips. All electromagnetic devices known in the art generally employ a single magnetic mass that oscillates on a spring element to change the magnetic flux in a nearby stationary coil. Thus, these devices are limited in power output capacity by limited mass of a single magnet, limited room for the number of coils in the flux field of a single magnet, and limited flux gradients available in the coil due to a single magnetic pole exposed to it. These unresolved problems and defects are clearly recognized in the art and resolved in the manner described below by the present invention.
복수의 일체형 유연성 영역을 구비하는 기판, 적어도 2개의 강자성 질량체, 및 코일을 포함하는 진동 에너지 획득 장치가 본 명세서에 개시된다. 각각의 강자성 질량체는 적어도 하나의 강자성 질량체가 기판 가속에 응하여 기판에 대해 이동하도록 대응하는 하나 이상의 일체형 유연성 영역에 결합된다. 각각의 강자성 질량체는 내부 자극이 플럭스 갭에 의해 서로 분리되도록 배치되는 내부 자극을 구비한다. 각각의 내부 자극의 자극성은 플럭스 갭의 대향측의 내부 자극의 자극성과 유사하다. 내부 자극은 플럭스 갭 내에 급경사(steep) 플럭스 구배 영역을 형성한다. 코일은 기판에 결합되고, 이것이 기판에 대한 적어도 하나의 강자성 질량체의 운동으로부터 발생하는 변화하는 자속에 노출되는 급경사 플럭스 구배 영역 내에 배치된다.Disclosed herein is a vibration energy acquisition device comprising a substrate having a plurality of integral flexible regions, at least two ferromagnetic masses, and a coil. Each ferromagnetic mass is coupled to a corresponding one or more integral flexible regions such that at least one ferromagnetic mass moves relative to the substrate in response to substrate acceleration. Each ferromagnetic mass has internal magnetic poles arranged such that the internal magnetic poles are separated from each other by the flux gap. The stimulus of each internal stimulus is similar to that of the internal stimulus on the opposite side of the flux gap. The internal magnetic poles form a steep flux gradient region within the flux gap. The coil is coupled to the substrate and disposed in a steep flux gradient region that is exposed to varying magnetic flux resulting from the movement of the at least one ferromagnetic mass with respect to the substrate.
전술된 에너지 획득 장치의 대안적인 실시예에서, 2개의 강자성 질량체는 서로 확고하게 결합되고 동시에 이동하도록 배치될 수 있다.In an alternative embodiment of the energy harvesting device described above, the two ferromagnetic masses can be arranged to be firmly coupled to each other and move simultaneously.
전술된 에너지 획득 장치의 다른 대안적인 실시예에서, 결합된 강자성 질량체는 기판 가속에 응하여 기판에 대해 선형으로 이동하도록 구성될 수 있다.In another alternative embodiment of the energy harvesting device described above, the combined ferromagnetic mass may be configured to move linearly relative to the substrate in response to substrate acceleration.
전술된 에너지 획득 장치의 또 다른 대안적인 실시예에서, 변화하는 자속에 응하여 흐르는 전류를 전도하기 위해 전도체가 코일에 결합될 수 있다.In another alternative embodiment of the energy harvesting device described above, a conductor may be coupled to the coil to conduct current flowing in response to varying magnetic flux.
전술된 에너지 획득 장치의 또 다른 대안적인 실시예에서, 코일은, 기판에 결합되는 복수의 독립적 코일로서, 복수의 독립적 코일이 변화하는 자속에 노출되는 플럭스 갭 내에 배치되는 복수의 독립적 코일을 포함할 수 있다.In yet another alternative embodiment of the energy harvesting device described above, the coil is a plurality of independent coils coupled to the substrate, the plurality of independent coils comprising a plurality of independent coils disposed in a flux gap that is exposed to varying magnetic flux. Can be.
전술된 에너지 획득 장치의 또 다른 대안적인 실시예에서, 코일은 플럭스 갭 내에 그리고 결합된 강자성 질량체의 둘레에 의해 한정되는 체적부의 외부에 배치될 수 있다.In another alternative embodiment of the energy harvesting device described above, the coil may be disposed in the flux gap and outside of the volume defined by the perimeter of the coupled ferromagnetic mass.
전술된 에너지 획득 장치의 또 다른 대안적인 실시예에서, 코일은 플럭스 갭 내에 그리고 결합된 강자성 질량체의 둘레에 의해 한정되는 체적부의 외부에 배치될 수 있다.In another alternative embodiment of the energy harvesting device described above, the coil may be disposed in the flux gap and outside of the volume defined by the perimeter of the coupled ferromagnetic mass.
진동 에너지 획득 장치는, 복수의 일체형 유연성 영역을 구비하는 기판, 적어도 하나의 단일체 마이크로-발전기, 코일, 및 전도체를 포함하는 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 발전기로서 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 각각의 단일체 마이크로-발전기는 적어도 2개의 강자성 질량체를 포함한다. 각각의 강자성 질량체는 적어도 하나의 강자성 질량체가 기판 가속에 응하여 기판에 대해 이동하도록 대응하는 하나 이상의 일체형 유연성 영역에 결합될 수 있다. 각각의 강자성 질량체는 강자성 질량체의 내부 자극이 동일한 자극성을 갖고 플럭스 갭에 의해 서로 분리되도록 배치되는 내부 자극을 구비한다. 내부 자극은 플럭스 갭 내에 급경사 플럭스 구배 영역을 형성한다. 코일은 기판에 결합되고, 이것이 기판에 대한 적어도 하나의 강자성 질량체의 운동으로부터 발생하는 변화하는 자속에 노출되는 플럭스 갭 내에 배치된다. 전도체는 자속 변화에 응하여 흐르는 전류를 전도하기 위해 각각의 마이크로-발전기 코일에 결합된다.The vibration energy obtaining device may be configured as a micro-electro-mechanical system (MEMS) generator comprising a substrate having a plurality of integral flexible regions, at least one monolithic micro-generator, a coil, and a conductor. In this embodiment, each monolithic micro-generator includes at least two ferromagnetic masses. Each ferromagnetic mass may be coupled to a corresponding one or more integral flexible regions such that at least one ferromagnetic mass moves relative to the substrate in response to substrate acceleration. Each ferromagnetic mass has internal magnetic poles arranged such that the internal magnetic poles of the ferromagnetic mass have the same magnetic properties and are separated from each other by the flux gap. The internal magnetic poles form steep flux gradient regions within the flux gap. The coil is coupled to the substrate and is disposed in a flux gap that is exposed to varying magnetic flux resulting from the movement of at least one ferromagnetic mass relative to the substrate. Conductors are coupled to each micro-generator coil to conduct current flowing in response to magnetic flux changes.
본 발명의 더욱 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면에 도시된 바와 같은 실시예의 하기의 상세한 설명이 참조되며, 첨부 도면에서 동일 도면 부호는 수 개의 도면 전반에 걸쳐 동일 특징부를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 마이크로-발전기 시스템을 나타내는 감쇠 질량-스프링 모델을 도시한 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 모델에 대한 종래의 전자기 이론에 따른 코일 전압, 플럭스 밀도 및 상대 변위 사이의 이론적 관계를 도시한다.
도 3은 본 발명의 마이크로-발전기 시스템에 사용가능한 수 개의 상이한 코일/플럭스 구성의 종면도(edge view)를 도시한 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 마이크로-발전기의 예시적인 실시예의 종면 사시도(edge perspective)를 도시한 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 발전기 시스템의 예시적인 실시예의 종면 사시도를 도시한 다이어그램이다.
도 6의 (a) 내지 (d)를 포함한 도 6은 본 발명의 예시적인 자석 층 제조 공정의 종면도를 도시한 다이어그램이다.
도 7의 (a) 내지 (e)를 포함한 도 7은 본 발명의 예시적인 자석 층 제조 공정의 종면도를 도시한 다이어그램이다.
도 8은 도 6 및 도 7의 예시적인 자석 층 실시예의 정면도를 도시한 다이어그램이다.
도 9의 (a) 내지 (d)를 포함한 도 9는 본 발명의 예시적인 코일 층 제조 공정의 종면도를 도시한 다이어그램이다.
도 10은 도 9의 예시적인 코일 층 실시예의 정면도를 도시한다.
도 11의 (a) 내지 (c)를 포함한 도 11은 도 6의 자석 층 실시예를 사용한 본 발명의 제1 예시적인 마이크로-발전기 제조 공정의 종면도를 도시한 다이어그램이다.
도 12의 (a) 및 (b)를 포함한 도 12는 도 7의 자석 층 실시예를 사용한 본 발명의 제2 예시적인 마이크로-발전기 제조 공정의 종면도를 도시한 다이어그램이다.For a more complete understanding of the invention, reference is now made to the following detailed description of the embodiments as shown in the accompanying drawings, wherein like reference numerals designate like features throughout the several views.
1 is a schematic diagram illustrating a damped mass-spring model representing a micro-generator system of the present invention.
FIG. 2 shows the theoretical relationship between coil voltage, flux density and relative displacement according to the conventional electromagnetic theory for the model of FIG. 1.
3 is a diagram showing an edge view of several different coil / flux configurations usable in the micro-generator system of the present invention.
4 is a diagram showing an edge perspective view of an exemplary embodiment of the micro-generator of the present invention.
5 is a diagram illustrating a longitudinal perspective view of an exemplary embodiment of a micro-electro-mechanical system (MEMS) generator system of the present invention.
6, including FIGS. 6A to 6D, is a diagram showing a longitudinal cross-sectional view of an exemplary magnet layer fabrication process of the present invention.
FIG. 7, including FIGS. 7A through 7E, is a diagram illustrating a longitudinal cross-section of an exemplary magnet layer fabrication process of the present invention.
8 is a diagram illustrating a front view of the exemplary magnet layer embodiment of FIGS. 6 and 7.
9, including FIGS. 9A to 9D, is a diagram illustrating a longitudinal cross-sectional view of an exemplary coil layer fabrication process of the present invention.
FIG. 10 shows a front view of the example coil layer embodiment of FIG. 9.
FIG. 11, including FIGS. 11A-C, is a diagram illustrating a longitudinal cross-sectional view of a first exemplary micro-generator manufacturing process of the present invention using the magnet layer embodiment of FIG. 6.
12, including FIGS. 12A and 12B, is a diagram illustrating a longitudinal cross-sectional view of a second exemplary micro-generator manufacturing process of the present invention using the magnet layer embodiment of FIG.
도 1은 본 발명의 마이크로-발전기 시스템을 나타내는 감쇠 질량-스프링 모델을 도시한 개략적인 다이어그램이다. 특정 주위 진동 스펙트럼을 위한 설계를 분석 및 최적화시키는 데 전기적 및 기계적 감쇠 둘 모두가 고려되어야 한다. 도 1을 참조하면, 시간 t, 질량 m, 스프링 상수 k, 전기적 감쇠 계수 be, 기계적 감쇠 계수 bm, 및 변위 함수 z(t)의 경우, 코일 전류로부터 입수가능한 전력 P는 수학식 1에 보인 바와 같이 표현될 수 있다:1 is a schematic diagram illustrating a damped mass-spring model representing a micro-generator system of the present invention. Both electrical and mechanical attenuation must be considered in analyzing and optimizing designs for specific ambient vibration spectra. Referring to FIG. 1, for time t, mass m, spring constant k, electrical attenuation coefficient b e , mechanical attenuation coefficient b m , and displacement function z (t), the power P available from the coil current is given by
에너지 보존이 수학식 2를 산출한다:Energy conservation yields Equation 2:
라플라시안 변환 및 변수의 치환을 통해 다음의 수학식 3 내지 수학식 10을 제공할 수 있다:Laplacian transformation and substitution of variables can provide the following equations (3) to (10):
이때,At this time,
으로 치환하고, 여기에서 이다., Where to be.
따라서,therefore,
이고,ego,
이거나,Or
이며, 여기에서 이다., Where to be.
이는 비선형 문제이며, 코일 전류로부터의 반력의 비선형 특성으로 인해, 시스템 공진은 과도한 실험 없이 주어진 응용에 대해 수학식 7을 참조하여 최적화될 수 있다. 일반적으로, 본 발명자는 보다 높은 전기적 감쇠 be가 시스템의 기계적 공진 주파수 fr = 2πωn 아래의 주파수에서 전력 출력 성능을 개선시키는 것을 발견하였다.This is a nonlinear problem, and due to the nonlinear nature of the reaction force from the coil current, the system resonance can be optimized with reference to
도 2는 다양한 전기적 및 기계적 가정에 대한 예상된 코일 전압, 플럭스 밀도 및 상대 변위를 도시한 차트이다. 가속도는 전체 주파수 범위에 걸쳐 상수 1.0 m/sec2, Bmax = 1 테슬라(Tesla), k = 1 N/m, 속도 = 50 mm/sec, 질량 = 1 mg, 및 x = 1 mm인 것으로 가정된다. 본 발명자는 실험적 및 이론적 시험 둘 모두를 수행하였고, 도 2에 개시된 예측이 보다 큰 물리적 규모로 구현된 실험적 측정과 양호하게 부합되는 것을 확인하였다.2 is a chart showing expected coil voltage, flux density and relative displacement for various electrical and mechanical assumptions. Acceleration is assumed to be constant 1.0 m / sec 2 , B max = 1 Tesla, k = 1 N / m, velocity = 50 mm / sec, mass = 1 mg, and x = 1 mm over the entire frequency range do. We conducted both experimental and theoretical tests and found that the predictions disclosed in FIG. 2 are in good agreement with the experimental measurements implemented on a larger physical scale.
대규모 버전(macro-scale version)의 에너지 획득 장치가 코일당 예상된 전압 출력을 확인하기 위해 제조되었다. 실험 셋업은 직경이 1 인치이고 두께가 3/16 인치인 1 테슬라 자석으로 구성되었다. 그것은 충분한 스프링 힘으로 스프링에 부착되어 20 Hz의 주파수에서 1.0 m/s2의 가속도 하에서 2.5 mm의 변위를 유발하였다. 코일 내의 권선(turn)의 수는 5개의 증분으로 5개에서 40개까지 순차적으로 변화되었고, 각각의 구성에 대해 전압 출력 측정이 이루어졌다. 코일의 권선당 발생된 전압은 전술된 단순 1차원(1-D) 모델을 사용한 1 mV/권선의 예상된 값에 아주 근사한 것으로 관측되었다.A macro-scale version of the energy acquisition device was manufactured to confirm the expected voltage output per coil. The experimental setup consisted of 1
자속 밀도를 2차원으로 모델링하고 코일의 표면에 수직한 총 플럭스 밀도를 합산함으로써 상세 분석이 수행되었다. 입력은 다시 한번 1.0 m/s2에서 20 Hz 사인곡선형 입력인 것으로 가정되었다. 각각의 시간 단계에서, 속도, 코일로부터 자석으로의 변위 및 표면에 수직한 총 자속 밀도가 계산되었다. 이 상세 분석의 결과는 1 mV/권선의 대규모 실험적 관측 결과 및 단순 1-D 계산을 확인하였다.Detailed analysis was performed by modeling the magnetic flux density in two dimensions and summing the total flux density perpendicular to the surface of the coil. The input was once again assumed to be a 20 Hz sinusoidal input at 1.0 m / s 2 . At each time step, speed, displacement from coil to magnet, and total magnetic flux density perpendicular to the surface were calculated. The results of this detailed analysis confirmed large experimental observations of 1 mV / wound and simple 1-D calculations.
도 3은 수 개의 상이한 코일/플럭스 구성의 종면도를 도시한 다이어그램이다. 도 3에서, 코일(20)이 두 자성 질량체(24, 26)에 의해 형성되는 플럭스 갭(22)에 배치된다. 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에서, 플럭스 갭(22)의 각각의 에지 상의 유사한 자극에 의해 "급경사(steep)" 플럭스 구배 영역이 플럭스 갭(22) 내에 형성된다. 도 3(c) 및 도 3(d)에서, 플럭스 갭(22)의 각각의 에지 상의 유사하지 않은 자극에 의해 "얕은(shallow)" 플럭스 구배 영역이 플럭스 갭(22) 내에 형성된다. 도 3의 (a)에서, 코일(20)은 질량체(24) 및 코일(20)에 대한 질량체(26)의 임의의 수직 운동 Z(t)가 코일(20)에서의 자속의 급격한 변화를 생성하도록 플럭스 갭(22) 내에 배치된다. 유사하게, 도 3(b)에서, 코일(20)은 코일(20)에 대한 양 질량체(24-26) 모두의 임의의 동시 수직 운동 Z(t)가 코일(20)에서의 자속의 급격한 변화를 생성하도록 플럭스 갭(22) 내에 배치된다. 반면에, 도 3(c)에서, 코일(20)은 질량체(24) 및 코일(20)에 대한 질량체(26)의 임의의 수직 운동 Z(t)가 코일(20)에서의 자속의 제한된 변화를 생성하도록 플럭스 갭(22) 내에 배치된다. 유사하게, 도 3(d)에서, 코일(20)은 코일(20)에 대한 양 질량체(24-26) 모두의 임의의 동시 수평 운동 Y(t)가 코일(20)에서의 자속의 제한된 변화를 생성하도록 플럭스 갭(22) 내에 배치된다. 명확히, 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시된 코일/플럭스 구성이 바람직하고, 특히, 도 3(b)의 구성이 본 발명의 마이크로-발전기의 구현에 바람직하다. 또한, 부가적인 자성 질량체가 또한 부가될 수 있고, 다른 유용한 기하학적 구성을 형성하도록 재조직되는 현존 질량체는 본 발명의 마이크로-발전기의 대안적인 실시예로서의 구현에 아주 적합하다.3 is a diagram illustrating a longitudinal view of several different coil / flux configurations. In FIG. 3, a
도 4는 본 발명의 마이크로-발전기(28)의 예시적인 실시예의 종면 사시도를 도시한 다이어그램이다. 마이크로-발전기(28)는 코일 터미널(32, 34)에 결합되는 전기 전도성 재료의 복수의 권선으로 구성되는 코일(30)을 포함한다. 코일(30)은 각각 자성 질량체(42, 44)의 내부 표면(38, 40)에 의해 경계지어지는 플럭스 갭(36) 내에 배치된다. 내부 표면(38, 40)은 자성 질량체(42, 44)의 N극으로서 도시되지만, 양쪽 내부 표면(38, 40)이 동일한 자극성을 갖는 한 어느 한쪽의 극성일 수 있다. 자성 질량체(42)는 유연성 요소(46)에 의해 예시되는 복수의 유연성 요소(스프링)에 의해 지지된다. 유사하게, 자성 질량체(44)는 유연성 요소(48)에 의해 예시되는 복수의 유연성 요소에 의해 지지된다. 유연성 요소(46, 48)의 자유 단부는 코일(30)에 대해 임의의 유용한 방식으로(미도시) 고정되어, 자성 질량체(42, 44)가 외부의 기계적 진동에 응하여 코일(30)에 대해 Z(t) 방향으로 이동할 수 있게 한다.4 is a diagram illustrating a longitudinal perspective view of an exemplary embodiment of the micro-generator 28 of the present invention. Micro-generator 28 includes a
도 5는 본 발명의 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 발전기 시스템(50)의 예시적인 실시예의 종면 사시도를 도시한 다이어그램이다. MEMS 발전기(50)는 마이크로-발전기(28)에 의해 예시되는, 본 발명의 복수의 마이크로-발전기를 포함하며, 이때 개별 코일 터미널은 각각의 마이크로-발전기에 의해 생성된 전력이 MEMS 발전기 터미널(52, 54)에 모이도록 상호연결된다. 바람직하게는, MEMS 발전기(50)를 구성하는 복수의 마이크로-발전기는 동일한 주위 진동에 대한 고정된 노출을 위해 함께 결합된다.5 is a diagram showing a longitudinal perspective view of an exemplary embodiment of a micro-electro-mechanical system (MEMS)
도 6의 (a) 내지 (d)를 포함한 도 6은 본 발명의 예시적인 자석 층 제조 공정의 종면도를 도시한 다이어그램이다. 이 공정은 반도체 웨이퍼(56)로 도 6(a)에 도시된 바와 같이 시작된다. 재료는 결정질 실리콘 또는 임의의 다른 유용한 반도체 재료일 수 있다. 하기의 논의는 단일 자석 층의 준비로 한정되지만, 당업자는 많은 그러한 자석 층 요소가 단일 공정으로 단일 반도체 웨이퍼 상에 동시에 제조될 수 있고 당업계에 잘 알려진 웨이퍼 다이싱 공정으로 웨이퍼로부터 분리될 수 있음을 쉽게 인식할 수 있다. 도 6(a)는 상부 표면(58) 및 하부 표면(60)을 필요한 대로 세정 및 폴리싱(polishing) 함으로써 통상의 방식으로 처리하기 위해 준비하는, 이 공정의 제1 단계의 결과를 도시한다. 도 6(b)는 자석 웰(well)(62)을 한정하기 위한 하부 표면(60)의 마스킹(masking) 및 심도 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching: DRIE)인, 이 공정의 다음 단계의 결과를 도시한다. 도 6(c)는 코일 층 요홈(64)을 한정하기 위한 상부 표면(58)의 마스킹 및 DRIE인, 이 공정의 다음 단계의 결과를 도시한다. 도 6(d)는 일체형 유연성 영역(66) 및 결합 포스트(68)를 한정하여 실질적으로 도시된 바와 같이 자석 층 하위-요소(69)를 완성하기 위한 상부 표면(58)의 마스킹 및 DRIE인, 이 공정의 다음 두 단계의 결과를 도시한다. 결합 포스트(68)는 또한 도 8에 웨이퍼 정면도로 도시된다[자석 웰(62)은 도 6의 예시적인 공정을 설명하기 위해 은선으로 그리고 도 7의 예시적인 공정을 위해 실선으로 구별되어야 함]. 일체형 유연성 영역(66)의 최종 두께는 최종 마이크로-발전기(아래의 도 11)의 요구되는 공진 주파수에 필요한 스프링 상수를 제공하도록 확립된다. 도 8의 개방 영역(71)은 단지 유연성 영역(66)만에 의해 결합된 자석 웰(62)을 남기도록 완전히 에칭되어 제거된다. 이 자석 층 제조 공정의 최종 단계는 자석 층 하위-요소(69)의 자석 웰(62) 내로의 강자성 질량체(70)의 배치이며(도 11(c)에 도시됨), 이는 도 6(d)에 도시된 자석 층 하위-요소(69)의 완성 직후에 달성될 수 있거나, 마이크로-발전기 자석 층 및 코일 층 요소의 조립 후까지 연기될 수 있다(도 11).6, including FIGS. 6A to 6D, is a diagram showing a longitudinal cross-sectional view of an exemplary magnet layer fabrication process of the present invention. This process begins with the
도 7의 (a) 내지 (e)를 포함한 도 7은 본 발명의 대안적인 자석 층 제조 공정의 종면도를 도시한 다이어그램이다. 이 공정도 또한 반도체 웨이퍼(56)로 도 7(a)에 도시된 바와 같이 시작된다. 도 7(a)는 상부 표면(58) 및 하부 표면(60)을 필요한 대로 세정 및 폴리싱 함으로써 통상의 방식으로 처리하기 위해 준비하는, 이 공정의 제1 단계의 결과를 도시한다. 도 7(b)는 코일 층 요홈(64)을 한정하기 위한 상부 표면(58)의 마스킹 및 DRIE인, 이 공정의 다음 단계의 결과를 도시한다. 도 7(c)는 자석 웰(62)을 한정하기 위한 상부 표면(58)의 마스킹 및 DRIE인, 이 공정의 다음 단계의 결과를 도시한다. 도 7(d)는 일체형 유연성 영역(66) 및 또한 도 8에 웨이퍼 정면도로 도시되는[자석 웰(62)은 도 6의 예시적인 공정을 설명하기 위해 은선으로 그리고 도 7의 예시적인 공정을 위해 실선으로 구별되어야 함] 결합 포스트(68)를 한정하기 위한 상부 표면(58)의 마스킹 및 DRIE인, 이 공정의 다음 두 단계의 결과를 도시한다. 일체형 유연성 영역(66)의 최종 두께는 최종 마이크로-발전기(아래의 도 12)의 요구되는 공진 주파수에 필요한 스프링 상수를 제공하도록 확립된다.7, including FIGS. 7A to 7E, is a diagram showing a longitudinal cross-section of an alternative magnet layer fabrication process of the present invention. This process also begins with the
도 8은 단지 유연성 영역(66)만에 의해 결합된 자석 웰(62)을 남기도록 완전히 에칭되어 제거될 수 있는 개방 영역(71)을 도시한다. 도 7(e)는 자석 웰(62) 내로의 강자성 질량체(70)의 배치인, 이 공정의 최종 단계의 결과를 도시한다. 강자성 질량체(70)는 적합한 "경질" 강자성 재료, 예를 들어 40KOe 필드(field)를 갖는 스퍼터링된 CoPtCr을 포함하여야 하고, 하나의 자극이 자석 웰(62)의 기저부에 결합되고 다른 하나의 자극이 질량체(70)의 상부에서 노출되는 상태로 배치되어 실질적으로 도시된 바와 같이 자석 층 요소(72)를 완성하여야 한다.8 shows an
도 9의 (a) 내지 (d)를 포함한 도 9는 본 발명의 예시적인 코일 층 제조 공정의 종면도를 도시한 다이어그램이다. 이 공정은 반도체 웨이퍼(74)로 도 9(a)에 도시된 바와 같이 시작된다. 재료는 결정질 실리콘 또는 임의의 다른 유용한 반도체 재료일 수 있다. 하기의 논의는 단일 코일 층의 준비로 한정되지만, 당업자는 많은 그러한 코일 요소가 단일 공정으로 단일 반도체 웨이퍼 상에 동시에 제조될 수 있고 당업계에 잘 알려진 웨이퍼 다이싱 공정으로 웨이퍼로부터 분리될 수 있음을 쉽게 인식할 수 있다. 도 9(a)는 상부 표면(76) 및 하부 표면(78)을 필요한 대로 세정 및 폴리싱 함으로써 통상의 방식으로 처리하기 위해 준비하는, 이 공정의 제1 단계의 결과를 도시한다. 도 9(b)는 코일 웰(80)을 한정하기 위한 상부 표면(76)의 마스킹 및 DRIE인, 이 공정의 다음 단계의 결과를 도시한다. 도 9(c)는 코일 웰(80) 내에 전도성 코일(82)을 배치하는, 이 공정의 다음 단계의 결과를 도시한다. 코일(82)의 배치는 예를 들어 마스킹된 패턴으로의 구리 또는 알루미늄 전도체의 이온 증착과 같은 당업계에 잘 알려진 수 개의 유용한 기술 중 임의의 것을 사용하여, 또는 예를 들어 전도체 층(미도시)을 코일 웰(80)의 기저부에 결합시키고 전도성 층을 요구되는 코일 기하학적 구조를 생성하도록 마스킹 및 에칭함으로써 달성될 수 있다. 코일은 예를 들어 1 mm의 반경 내에 2,500개의 권선을 포함할 수 있다. 도 9(d)는 결합 포스트 관통구(84)를 한정하여 실질적으로 도시된 바와 같이 코일 층 요소(86)를 완성하기 위한 상부 표면(76) 또는 하부 표면(78)의 마스킹 및 DRIE인, 이 공정의 최종 단계의 결과를 도시한다.9, including FIGS. 9A to 9D, is a diagram illustrating a longitudinal cross-sectional view of an exemplary coil layer fabrication process of the present invention. This process begins with the
도 10은 결합 포스트 관통구(84)를 웨이퍼 정면도로 도시한다. 도 10은 또한 코일(82)로의 전기적 연결을 허용하도록 배치되는 두 전도성 터미널(88, 90)을 도시한다.10 shows the bond post through
도 11의 (a) 내지 (c)를 포함한 도 11은 도 11(c)에 도시된, 본 발명의 마이크로-발전기(92)의 제1 예시적인 실시예의 제조의 종면도를 도시한 다이어그램이다. 도 11(a)는 코일 층 요소(86)를 결합 표면(94A)에서 제1 자석 층 하위-요소(69A)에 결합하는, 이 공정의 제1 단계의 결과를 도시한다. 도 11(b)는 제2 자석 층 하위-요소(69B)를 결합 표면(94B)에서 코일 층 요소(86)에 그리고 결합 포스트 표면(96)에서 제1 자석 층 하위-요소(69A)에 결합하는, 이 공정의 제2 단계의 결과를 도시한다. 유연성 영역(66)에 의해 제공되는 기계적 결합을 제외하고는 코일(82)이 결합 포스트 표면(96)으로부터 기계적으로 격리되어 유지될 수 있게 하기 위해 충분한 간극이 제공되는 것에 주목하라. 이 마이크로-발전기 제조 공정의 최종 단계는 각각 강자성 질량체(70A, 70B)를 자석 층 하위-요소(69A, 69B)의 자석 웰(62) 내에 배치하는 것이며, 이는 그 대신에 마이크로-발전기(92)의 조립을 시작하기 전에 자석 층 하위-요소(69)의 완성 직후 달성될 수 있다.FIG. 11, including FIGS. 11A-C, is a diagram showing a longitudinal cross-sectional view of the fabrication of a first exemplary embodiment of the micro-generator 92 of the present invention, shown in FIG. 11 (c). 11 (a) shows the results of the first step of this process, coupling the
도 12의 (a) 및 (b)를 포함한 도 12는 도 12(b)에 도시된, 본 발명의 마이크로-발전기(98)의 제2 예시적인 실시예의 제조의 종면도를 도시한 다이어그램이다. 도 12(a)는 코일 층 요소(86)를 결합 표면(100A)에서 제1 자석 층 요소(72A)에 결합하는, 이 공정의 제1 단계의 결과를 도시한다. 도 12(b)는 제2 자석 층 요소(72B)를 결합 표면(100B)에서 코일 층 요소(86)에 그리고 결합 포스트 표면(102)에서 제1 자석 층 요소(72A)에 결합하는, 이 공정의 제2 단계의 결과를 도시한다. 유연성 영역(66)에 의해 제공되는 기계적 결합을 제외하고는 코일(82)이 결합 포스트 표면(102)으로부터 기계적으로 격리되어 유지될 수 있게 하기 위해 충분한 간극이 제공되는 것에 주목하라.12, including FIGS. 12A and 12B, is a diagram illustrating a longitudinal cross-sectional view of the fabrication of a second exemplary embodiment of the micro-generator 98 of the present invention, shown in FIG. 12B. 12 (a) shows the result of the first step of this process, coupling the
측정 및 계산에 기초하여, 본 발명자는 본 발명의 MEMS 발전기가 100 mV 내지 5,000 mV의 출력 전압에서 10 내지 500 mW/cc의 출력 전력을 제공할 수 있는 것으로 제안한다.Based on the measurements and calculations, we propose that the MEMS generator of the present invention can provide an output power of 10 to 500 mW / cc at an output voltage of 100 mV to 5,000 mV.
명확히, 당업자는 이들 교시를 고려하여 본 발명의 다른 실시예 및 변형 실시예를 쉽게 안출할 수 있다. 따라서, 본 발명은 위의 명세서 및 첨부 도면과 함께 볼 때 모든 그러한 실시예 및 변형 실시예를 포함하는 하기의 특허청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.Apparently, those skilled in the art can readily devise other and alternative embodiments of the present invention in view of these teachings. Accordingly, the invention should be limited only by the following claims, including all such and modified embodiments, when viewed in conjunction with the above specification and accompanying drawings.
본 발명의 본질을 설명하기 위해 본 명세서에 설명되었고 도시되었던 상세 사항, 재료, 단계 및 부품 배열의 많은 부가적인 변화가 첨부 특허청구범위에 표현된 바와 같은 본 발명의 원리 및 범위 내에서 당업자에 의해 이루어질 수 있는 것으로 이해하여야 할 것이다.Many additional changes in details, materials, steps, and arrangements of parts described and illustrated herein to illustrate the nature of the invention have been made by those skilled in the art within the spirit and scope of the invention as expressed in the appended claims. It should be understood that this can be done.
탐색 공간 내에서 물체를 검출하기 위한 시스템 및 방법의 위의 설명으로부터, 다양한 기술이 그 범위로부터 벗어나지 않고서 시스템(10)의 개념을 구현하기 위해 사용될 수 있는 것이 명백하다. 설명된 실시예는 모든 점에서 예시적이고 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다. 또한, 시스템(10)은 본 명세서에 설명된 특정 실시예로 제한되지 않고 특허청구범위의 범위로부터 벗어나지 않고서 많은 실시예가 가능한 것으로 이해하여야 한다.From the above description of systems and methods for detecting objects within a search space, it is clear that various techniques can be used to implement the concept of system 10 without departing from its scope. The described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. In addition, it is to be understood that the system 10 is not limited to the specific embodiments described herein and that many embodiments are possible without departing from the scope of the claims.
Claims (32)
복수의 일체형 유연성 영역을 구비하는 기판;
2개의 강자성 질량체로서, 2개의 강자성 질량체는 적어도 하나의 강자성 질량체가 기판 가속에 응하여 기판에 대해 이동하도록 대응하는 하나 이상의 일체형 유연성 영역에 각각 결합되고, 각각의 강자성 질량체는 내부 자극이 플럭스 갭에 의해 서로 분리되도록 배치되는 내부 자극을 구비하고, 각각의 내부 자극의 자극성은 플럭스 갭의 대향측의 내부 자극의 자극성과 유사하며, 강자성 질량체는 플럭스 갭 내에 급경사 플럭스 구배 영역을 형성하도록 배치되는, 2개의 강자성 질량체; 및
기판에 결합되는 코일로서, 코일이 기판에 대한 적어도 하나의 강자성 질량체의 운동으로부터 발생하는 변화하는 자속에 노출되는 급경사 플럭스 구배 영역 내에 배치되는 코일
을 포함하는 진동 에너지 획득 장치.Vibration energy acquisition device,
A substrate having a plurality of integral flexible regions;
As two ferromagnetic masses, two ferromagnetic masses are each coupled to corresponding one or more integral flexible regions such that at least one ferromagnetic mass moves relative to the substrate in response to substrate acceleration, and each ferromagnetic mass has an internal magnetic pole coupled by a flux gap. Two magnetic poles having internal magnetic poles arranged to be separated from each other, the magnetic poles of each of the internal magnetic poles being similar to the magnetic poles of the internal magnetic poles on opposite sides of the flux gap, the ferromagnetic mass being arranged to form steep flux gradient regions within the flux gap. Ferromagnetic mass; And
A coil coupled to a substrate, the coil disposed in a steep flux gradient region exposed to varying magnetic flux resulting from the movement of at least one ferromagnetic mass relative to the substrate.
Vibration energy acquisition device comprising a.
기판에 결합되는 복수의 독립적 코일로서, 복수의 독립적 코일이 변화하는 자속에 노출되는 플럭스 갭 내에 배치되는, 복수의 독립적 코일을 더 포함하는 진동 에너지 획득 장치.The coil of claim 4, wherein
And a plurality of independent coils coupled to the substrate, wherein the plurality of independent coils are disposed in a flux gap that is exposed to varying magnetic flux.
복수의 일체형 유연성 영역을 구비하는 기판;
적어도 하나의 단일체 마이크로-발전기로서, 각각의 단일체 마이크로-발전기는,
적어도 2개의 강자성 질량체로서, 적어도 2개의 강자성 질량체는 적어도 하나의 강자성 질량체가 기판 가속에 응하여 기판에 대해 이동하도록 대응하는 하나 이상의 일체형 유연성 영역에 각각 결합되고, 각각의 강자성 질량체는 강자성 질량체의 내부 자극이 동일한 자극성을 갖고 플럭스 갭에 의해 서로 분리되도록 배치되는 내부 자극을 구비하고, 내부 자극은 플럭스 갭 내에 급경사 플럭스 구배 영역을 형성하는, 적어도 2개의 강자성 질량체; 및
기판에 결합되는 코일로서, 코일이 기판에 대한 적어도 하나의 강자성 질량체의 운동으로부터 발생하는 변화하는 자속에 노출되는 급경사 플럭스 구배 영역 내에 배치되는 코일
을 포함하는, 적어도 하나의 단일체 마이크로-발전기; 및
자속 변화에 응하여 흐르는 전류를 전도하기 위해 각각의 마이크로-발전기 코일에 결합되는 전도체
를 포함하는 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 발전기.Micro-electro-mechanical system (MEMS) generator,
A substrate having a plurality of integral flexible regions;
At least one monolithic micro-generator, each monolithic micro-generator
At least two ferromagnetic masses, wherein at least two ferromagnetic masses are each coupled to corresponding one or more integral flexible regions such that at least one ferromagnetic mass moves relative to the substrate in response to substrate acceleration, and each ferromagnetic mass is an internal magnetic pole of the ferromagnetic mass. At least two ferromagnetic masses having internal magnetic poles having the same magnetic polarity and arranged to be separated from each other by the flux gap, the internal magnetic poles forming a steep flux gradient region within the flux gap; And
A coil coupled to a substrate, the coil disposed in a steep flux gradient region exposed to varying magnetic flux resulting from the movement of at least one ferromagnetic mass relative to the substrate.
At least one monolithic micro-generator comprising a; And
Conductors coupled to each micro-generator coil to conduct current flowing in response to flux changes
Micro-electro-mechanical system (MEMS) generator comprising a.
복수의 일체형 유연성 영역을 구비하는 기판;
적어도 2개의 강자성 질량체로서, 적어도 2개의 강자성 질량체는 적어도 하나의 강자성 질량체가 기판 가속에 응하여 기판에 대해 이동하도록 대응하는 하나 이상의 일체형 유연성 영역에 각각 결합되고, 각각의 강자성 질량체는 내부 자극이 플럭스 갭에 의해 서로 분리되도록 배치되는 내부 자극을 구비하고, 각각의 내부 자극의 자극성은 플럭스 갭의 대향측의 내부 자극의 자극성과 유사한, 적어도 2개의 강자성 질량체;
기판에 결합되는 코일로서, 코일이 기판에 대한 적어도 하나의 강자성 질량체의 운동으로부터 발생하는 변화하는 자속에 노출되는 플럭스 갭 내에 배치되는 코일; 및
변화하는 자속에 응하여 흐르는 전류를 전도하기 위해 코일에 결합되는 전도체
를 포함하는 에너지 획득 장치.Energy acquisition device,
A substrate having a plurality of integral flexible regions;
As at least two ferromagnetic masses, at least two ferromagnetic masses are each coupled to corresponding one or more integral flexible regions such that at least one ferromagnetic mass moves relative to the substrate in response to substrate acceleration, and each ferromagnetic mass has an internal magnetic flux flux gap. At least two ferromagnetic masses having internal magnetic poles disposed to be separated from each other by the magnetic poles of each internal magnetic pole similar to the magnetic poles of the internal magnetic poles on opposite sides of the flux gap;
A coil coupled to a substrate, the coil comprising: a coil disposed within a flux gap that is exposed to varying magnetic flux resulting from the movement of at least one ferromagnetic mass relative to the substrate; And
Conductor coupled to coil to conduct current flowing in response to changing magnetic flux
Energy acquisition device comprising a.
2개의 강자성 질량체는 서로 확고하게 결합되고 동시에 이동하도록 배치되는 에너지 획득 장치.The method of claim 16,
Two ferromagnetic masses are firmly coupled to one another and arranged to move simultaneously.
각각의 강자성 질량체 및 대응하는 하나 이상의 일체형 유연성 영역은 10Hz 내지 50 Hz의 공진 주파수를 갖는 공진 질량-스프링 시스템을 형성하는 에너지 획득 장치.The method of claim 16,
Each ferromagnetic mass and corresponding one or more integral flexible regions form a resonant mass-spring system having a resonant frequency of 10 Hz to 50 Hz.
기판에 결합되는 복수의 독립적 코일로서, 코일이 변화하는 자속에 노출되는 플럭스 갭 내에 배치되는 복수의 독립적 코일을 더 포함하는 에너지 획득 장치.The method of claim 16,
And a plurality of independent coils coupled to the substrate, the apparatus further comprising a plurality of independent coils disposed in the flux gap where the coils are exposed to varying magnetic flux.
기판은 본질적으로 결정질 실리콘으로 구성되는 에너지 획득 장치.The method of claim 16,
An energy acquisition device, wherein the substrate consists essentially of crystalline silicon.
내부 자극은 플럭스 갭 내에 급경사 플럭스 구배 영역을 형성하는 에너지 획득 장치.The method of claim 16,
And the internal stimulus forms a steep flux gradient region within the flux gap.
복수의 일체형 유연성 영역을 구비하는 기판;
적어도 하나의 단일체 마이크로-발전기로서, 각각의 단일체 마이크로-발전기는,
적어도 2개의 강자성 질량체로서, 적어도 2개의 강자성 질량체는 적어도 하나의 강자성 질량체가 기판 가속에 응하여 기판에 대해 이동하도록 대응하는 하나 이상의 일체형 유연성 영역에 각각 결합되고, 각각의 강자성 질량체는 강자성 질량체의 내부 자극이 동일한 자극성을 갖고 플럭스 갭에 의해 서로 분리되도록 배치되는 내부 자극을 구비하는, 적어도 2개의 강자성 질량체, 및
기판에 결합되는 코일로서, 코일이 기판에 대한 적어도 하나의 강자성 질량체의 운동으로부터 발생하는 변화하는 자속에 노출되는 플럭스 갭 내에 배치되는 코일
을 포함하는, 적어도 하나의 단일체 마이크로-발전기; 및
자속 변화에 응하여 흐르는 전류를 전도하기 위해 각각의 마이크로-발전기 코일에 결합되는 전도체
를 포함하는 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 발전기.Micro-electro-mechanical system (MEMS) generator,
A substrate having a plurality of integral flexible regions;
At least one monolithic micro-generator, each monolithic micro-generator
At least two ferromagnetic masses, wherein at least two ferromagnetic masses are each coupled to corresponding one or more integral flexible regions such that at least one ferromagnetic mass moves relative to the substrate in response to substrate acceleration, and each ferromagnetic mass is an internal magnetic pole of the ferromagnetic mass. At least two ferromagnetic masses, having the same magnetic pole and having internal magnetic poles arranged to be separated from one another by the flux gap, and
A coil coupled to a substrate, wherein the coil is disposed within a flux gap that is exposed to varying magnetic flux resulting from the movement of at least one ferromagnetic mass relative to the substrate.
At least one monolithic micro-generator comprising a; And
Conductors coupled to each micro-generator coil to conduct current flowing in response to flux changes
Micro-electro-mechanical system (MEMS) generator comprising a.
하나 이상의 단일체 마이크로-발전기에서, 2개의 강자성 질량체는 서로 확고하게 결합되고 동시에 이동하도록 배치되는 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 발전기.The method of claim 22,
In one or more monolithic micro-generators, two ferromagnetic masses are firmly coupled to one another and arranged to move simultaneously.
하나 이상의 단일체 마이크로-발전기에서, 각각의 강자성 질량체 및 대응하는 하나 이상의 일체형 유연성 영역은 10Hz 내지 50 Hz의 공진 주파수를 갖는 공진 질량-스프링 시스템을 형성하는 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 발전기.The method of claim 22,
In one or more monolithic micro-generators, each ferromagnetic mass and corresponding one or more integral flexible regions form a resonant mass-spring system having a resonant frequency of 10 Hz to 50 Hz.
하나 이상의 단일체 마이크로-발전기에서, 기판에 결합되는 복수의 독립적 코일로서, 코일이 변화하는 자속에 노출되는 플럭스 갭 내에 배치되는 복수의 독립적 코일을 포함하는 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 발전기.The method of claim 22,
In one or more monolithic micro-generators, a plurality of independent coils coupled to a substrate, the micro-electro-mechanical system (MEMS) generator comprising a plurality of independent coils disposed in a flux gap where the coils are exposed to varying magnetic flux.
기판은 본질적으로 결정질 실리콘으로 구성되는 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 발전기.The method of claim 22,
A micro-electro-mechanical system (MEMS) generator in which the substrate consists essentially of crystalline silicon.
복수의 일체형 유연성 영역을 구비하는 기판;
2개의 강자성 질량체로서, 2개의 강자성 질량체는 적어도 하나의 강자성 질량체가 기판 가속에 응하여 기판에 대해 선형으로 이동하도록 하나 이상의 일체형 유연성 영역에 각각 결합되고, 각각의 강자성 질량체는 강자성 질량체의 내부 자극이 플럭스 갭에 의해 서로 분리되도록 배치되는 내부 자극을 구비하고, 각각의 내부 자극의 자극성은 플럭스 갭의 대향측의 내부 자극의 자극성과 유사하며, 내부 자극은 플럭스 갭 내에 급경사 플럭스 구배 영역을 형성하는, 2개의 강자성 질량체;
기판에 결합되는 코일로서, 코일이 기판에 대한 강자성 질량체의 운동으로부터 발생하는 변화하는 자속에 노출되는 플럭스 갭 내에 배치되는 코일; 및
변화하는 자속에 응하여 흐르는 전류를 전도하기 위해 코일에 결합되는 전도체
를 포함하는 에너지 획득기.Energy harvester,
A substrate having a plurality of integral flexible regions;
As two ferromagnetic masses, the two ferromagnetic masses are each coupled to one or more integral flexible regions such that at least one ferromagnetic mass moves linearly with respect to the substrate in response to substrate acceleration, and each ferromagnetic mass has a flux inside the ferromagnetic mass. Having internal magnetic poles arranged to be separated from each other by a gap, the magnetic pole of each internal magnetic pole is similar to the magnetic pole of the internal magnetic pole on the opposite side of the flux gap, the internal magnetic pole forming a steep flux gradient region within the flux gap; Ferromagnetic masses;
A coil coupled to a substrate, the coil comprising: a coil disposed within a flux gap that is exposed to varying magnetic flux resulting from the motion of the ferromagnetic mass relative to the substrate; And
Conductor coupled to coil to conduct current flowing in response to changing magnetic flux
Energy obtainer comprising a.
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