KR20160122712A - 유연 스토퍼 구조를 갖는 패키징된 압전 에너지 하베스터 디바이스, 시스템, 및 이용 및 제작 방법들 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에너지 하베스터 디바이스에 관한 것으로, 에너지 하베스터 디바이스는 압전 물질을 포함하는 세장형 공진기 빔으로서, 공진기 빔은 제 1 및 제 2 단부들 사이로 연장되고; 제 1 단부에서 공진기 빔에 연결된 베이스, 제 2 단부는 캔틸레버로서 베이스로부터 구속받지 않고 연장되고; 공진기 빔의 제 2 단부에 부착된 질량부; 공진기 빔의 제 2 단부의 적어도 일부분을 둘러싸는 패키지; 및 패키지에 연결된 유연 스토퍼로서, 스토퍼는 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 파손을 방지한다. 또한 시스템, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법, 및 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법들이 개시된다.
Description
본 발명은 유연 캔틸레버 스토퍼(stopper) 구조를 갖는 패키징된 압전 에너지 수확 디바이스, 디바이스를 포함하는 시스템, 및 디바이스를 이용하고 제작하는 방법들에 관한 것이다.
집적 회로들의 크기 및 전력 소모 둘 다에서의 감소는 무선 기술의 확산을 초래하였다. 예를 들어, 태블릿; 스마트폰; 셀 폰; 랩탑 컴퓨터; MP3 플레이어; 전화 헤드셋; 헤드폰; 라우터; 게임 제어기; 모바일 인터넷 어댑터; 무선 센서; 타이어 압력 센서 모니터; 테블릿, PC, 및/또는 스마트폰와 통신하는 웨어러블 센서; 라이브스톡을 모니터링하기 위한 디바이스; 의료용 디바이스; 신체 모니터링 디바이스; 완구; 등을 포함하는, 저전력 무선 회로를 이용하는 다양한 디바이스들이 존재한다. 이들 디바이스들 각각은 독립형 전원이 동작하는 것을 요구한다. 일반적으로, 이들 디바이스들을 위한 전원들은 전기 배터리들인데, 종종 교체가능 배터리들이다.
상당한 관심이 있는 다른 무선 기술들은 무선 센서 및 무선 센서 네트워크이다. 그러한 네트워크들에서, 무선 센서들은 측정 데이터를 중앙 허브에 중계하는 애드 호크(ad hoc) 네트워크를 형성하기 위해 특정 환경 전체에 분포된다. 특정 환경들은 예를 들어, 자동차, 항공기, 공장, 또는 빌딩을 포함한다. 무선 센서 네트워크는 거리에 걸쳐 다중-호프 송신들을 이용하여 동작하는 수천 내지 수만 개의 무선 센서 "노드들"을 포함할 수 있다. 각 무선 노드는 일반적으로 센서, 무선 전자기기, 및 전원을 포함할 것이다. 이들 무선 센서 네트워크들은 환경 조건들에 응답하여 지능형 환경을 생성하는데 사용될 수 있다.
전술한 다른 무선 디바이스들과 같은 무선 센서 노드는 독립형 전력이 그러한 노드의 전자기기들을 동작하는 것을 요구한다. 리튬-이온 배터리, 아연-공기 배터리, 리튬 배터리, 알칼리 배터리, 니켈-금속-하이브리드 배터리, 및 니켈-카드뮴 배터리와 같은 종래의 배터리들이 사용될 수 있다. 하지만, 무선 센서 노드들이 그러한 배터리들의 전형적인 수명을 초과하여 기능하는 것이 유리할 수 있다. 더욱이, 배터리 교체는 특히 많은 노드들을 갖는 더 큰 네트워크들에서 번거로울 수 있다.
대안적인 독립형 전원들은 주변 환경으로부터 소기(scavenging)(또는 "하베스팅(harvesting)") 에너지에 의존한다. 예를 들어, 전력-구동 디바이스가 충분한 광에 노출되면, 적합한 대안적인 독립형 전원은 광전지 또는 태양 셀들을 포함할 수 있다. 대안적으로, 전력-구동 디바이스가 충분한 공기 이동에 노출되면, 적합한 대안적인 독립형 전원은 이동하는 공기로부터 전력을 수확하기 위한 터빈 또는 마이크로-터빈을 포함할 수 있다. 다른 대안적인 독립형 전원들은 또한 온도 변동, 압력 변동, 또는 다른 환경적 영향에 기초할 수 있다.
몇몇 환경들은 전력 특정 디바이스들에 충분한 양의 광, 공기 이동, 온도 변동, 및/또는 압력 변동을 포함하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 그러한 환경들 하에서, 디바이스는 예를 들어 구조적 지지부로부터 발산하는 실제로 예측가능한 및/또는 일정한 진동들을 받을 수 있는데, 이러한 진동들은 일정한 주파수에서의 진동, 또는 다수의 주파수들을 포함하는 임펄스 진동 중 하나의 형태일 수 있다. 그러한 경우들에서, 본질적으로 이동(예를 들어, 진동 에너지)을 전기 에너지로 변환하는 스캐빈저(scavenger)(또는 하베스터(harvester))가 사용될 수 있다.
하나의 특정한 유형의 진동 에너지 하베스터는, 주변 진동들(구동력)에 의해 야기된 빔들(beams)의 공진 동안 신장(strained)될 때 전하를 생성하는 압전 물질을 병합하는 공진 빔들을 이용한다.
마이크로 전기 기계("MEMS") 캔틸레버 압전 에너지 하베스터가 동봉된 패키지(진공 하에 있는 패키지들, 과압되는 패키지들, 또는 대기압에 있고 추가적으로 배출될 수 있는 패키지들을 포함)에 위치될 때, 압전 캔틸레버가 편향(특히 더 높은 G 레벨에서) 동안, 일단 패키지의 편향이 패키지 높이와 동일하면 패키지의 상부 또는 하부와 상호 작용하는 것이 가능하다. 이것은 궁극적으로 캔틸레버의 변형 및 파손을 초래할 수 있다. 문헌에서, 이러한 변형이 충돌 동안 캔틸레버를 안정화하기 위해 패키징의 상부 및 하부 캡에서의 특징부(feature)(예를 들어, 스토퍼(stopper))를 병합함으로써 경감될 수 있다. 이러한 특징부는 유리 또는 실리콘으로부터 만들어진 강성 셀프(shelf) 또는 필라(pillar)의 형태로 구현된다. 특히 저압 환경에서 패키징될 때 패키징된 에너지 하베스터의 더 큰 강성도(robustness)를 전하는 새로운 특징부들이 필요하다.
본 발명은 이들 및 다른 종래 기술에서의 결점들을 해결하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 하나의 측면은 에너지 하베스터 디바이스에 관한 것으로, 에너지 하베스터 디바이스는 압전 물질을 포함하는 세장형(elongate) 공진기 빔으로서, 공진기 빔은 제 1 및 제 2 단부들 사이에서 연장되는, 세장형 공진기 빔; 제 1 단부에서 공진기 빔에 연결된 베이스로서, 제 2 단부는 캔틸레버(cantilever)로서 베이스로부터 구속받지 않고 연장되는, 베이스; 공진기 빔의 제 2 단부에 부착된 질량부(mass); 공진기 빔의 제 2 단부의 적어도 일부분을 둘러싸는 패키지; 및 패키지에 연결된 유연 스토퍼(compliant stopper)로서, 스토퍼는 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 파손을 방지하는, 유연 스토퍼를 포함한다.
본 발명의 다른 측면은 전기 전력형 장치와, 장치에 전기적으로 결합된 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 추가 측면은 전기 전력형 장치에 전력 공급하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 본 발명에 따른 시스템을 제공하는 단계; 압전 물질로부터 전기 에너지를 생성하기 위해 시스템에 이동 또는 진동을 가하는 단계; 및 전력을 장치에 제공하기 위해 압전 물질로부터의 전기 에너지를 장치에 전달하는 단계를 수반한다.
본 발명의 패키징된 에너지 하베스터 디바이스는 캔틸레버/패키지 상호 작용을 안정화하는 기능을 제공하기 위해 유연 스토퍼 특징부를 병합한다. 스토퍼는 물질 선택 또는 설계, 또는 양쪽 모두를 통해, 충격의 펄스폭, 및 후속하여 패키지와의 충격에 대한 캔틸레버에 의해 경험되는 가속도 레벨을 변형하도록 몇몇 유연성(compliance)를 갖도록 이루어진다. 경험된 가속도의 이러한 하락은 특히, 저압 환경에서 패키징될 때 패키징된 에너지 하베스터의 더욱 더 큰 강성도를 초래할 것이다.
도 1은 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예의 측면도(또는 측면, 단면도)로서, 에너지 하베스터 디바이스는 제 1 및 제 2 단부를 갖는 공진기 빔으로서, 공진기 빔은 압전 물질을 포함하는, 공진기 빔; 제 1 단부에서 공진기 빔에 연결된 베이스로서, 제 2 단부는 캔틸레버로서 베이스로부터 구속받지 않고 연장되는, 베이스; 공진기 빔의 제 2 단부에 부착된 질량부; 및 공진기 빔을 둘러싸는 패키지를 포함한다. 베이스는 패키지와 일체형으로 형성된다. 2개의 유연 스토퍼들은 공진기 빔의 제 2 단부 근처의 대향하는 내부 벽들 상에서 패키지에 연결된다. 스토퍼들은 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다.
도 2a-b는 종래 기술의 에너지 하베스터 디바이스들의 측면도이다. 도 2a에서, 에너지 하베스터 디바이스는 패키지의 내부 벽들 상에 스토퍼 구조를 갖지 않는다. 그 결과, 캔틸레버 구조는 편향 동안 패키지의 내부 벽들과 접촉하고, 이것은 캔틸레버의 변형 및 가능한 파손을 초래한다. 도 2b에서, 에너지 하베스터 디바이스는 패키지의 2개의 대향하는 내부 벽들 상에 스토퍼 구조를 포함한다. 하지만, 스토퍼 구조들은 패키지 내에 포함된 압전 캔틸레버 구조와 접촉시에 형태(유연성)에 있어서 변형을 경험하지 않는 단단한 비-유연(non-compliant) 물질로 형성된다. 이것은 캔틸레버의 변형 및 가능한 파손을 야기할 수 있다.
도 3a-b는 도 2에 도시된 종래 기술의 에너지 하베스터 디바이스의 캔틸레버 구조의 G-가속도 프로필(도 3b)를 예시하며, 캔틸레버는 최소의 유연성(compliance)를 갖거나 유연성을 갖지 않는(즉, 단단한)(도 3a) 내부 벽 상에 위치된 스토퍼와 접촉한다.
도 4a-b는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예의 캔틸레버 구조의 G-가속도 프로필(도 4b)을 예시하며, 캔틸레버는 패키지의 내부 벽 상에 유연 스토퍼 구조와 접촉한다(도 4a). 도 4a에서, 도시되는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 특정 실시예는 제 1 및 제 2 단부를 갖는 공진기 빔으로서, 공진기 빔은 압전 물질을 포함하는, 공진기 빔; 제 1 단부에서 공진기 빔에 연결된 베이스로서, 제 2 단부는 캔틸레버로서 베이스로부터 연장하는, 베이스; 공진기 빔의 제 2 단부에 부착된 질량부; 및 공진기 빔을 둘러싸는 패키지를 포함한다. 유연 스토퍼는 패키지에 연결되고, 스토퍼는 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다.
도 5는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에 사용하기 위한 유연 스토퍼의 일 실시예의 측면도를 예시한다. 유연 스토퍼는 기둥의 형태이고, 압전 캔틸레버 구조를 포함하는 패키지의 (예를 들어, 대향하는) 내부 벽들 상에 형성될 수 있다.
도 6a-b는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에 사용하기 위한 유연 스토퍼들의 2가지 상이한 실시예들의 측면도들을 예시한다. 유연 스토퍼들은 구형(도 6a) 및 반구(도 6b)의 형태이고, 압전 캔틸레버 구조를 포함하는 패키지의 (예를 들어, 대향하는) 내부 벽들 상에 형성될 수 있다. 대안적으로, 도 6a-b는 내부(상부) 벽을 따라 공진기 빔에 길이 방향으로 평행하게 형성된 로드(rod) 또는 실린더(도 6a) 또는 부분 실린더(도 6b)의 형태인 유연 스토퍼들의 정면도들이다.
도 7은 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에 사용하기 위한 유연 스토퍼의 일 실시예의 측면도를 예시한다. 유연 스토퍼는 도 8a-e의 정면도들에 도시된 바와 같이 기둥 또는 다른 설계의 형태이고, 압전 캔틸레버 구조를 포함하는 패키지의 (예를 들어, 대향하는) 내부 벽들 상에 형성될 수 있다.
도 8a-e는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에 사용하기 위한 유연 스토퍼들의 5가지 상이한 실시예들의 정면도들을 예시한다. 유연 스토퍼들의 이들 특정 실시예들은 도 7에 도시된 유연 스토퍼의 측면도 프로필을 갖거나 갖지 않을 수 있다. 유연 스토퍼들은 유연 스트립(도 8a), 유연 현가된 스트립들(도 8b, 도 8d, 및 도 8e), 유연 이중 형성들(도 8c)의 형태이고, 압전 캔틸레버 구조를 포함하는 패키지의 (예를 들어, 대향하는) 내부 벽들 상에 형성될 수 있다.
도 9a-b는 정지하고 있는 공진기 빔에 수직으로 형성된 기둥들의 형태인 2개의 유연 스토퍼들을 포함하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 예시한다. 2개의 유연 스토퍼들은 대향하는 내부 벽들 상의 패키지에 연결된다. 유연 스토퍼들은 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다. 도 9a는, 캔틸레버가 유연 스토퍼 구조와 접촉하기 전의 에너지 하베스터 디바이스를 도시하고, 도 9b는, 캔틸레버가 유연 스토퍼 구조와 접촉한 후의 에너지 하베스터 디바이스를 도시한다.
도 10a-b는 균일하지 않은 이중 기둥들의 형태인 유연 스토퍼들을 포함하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 예시한다. 유연 스토퍼들은 대향하는 내부 벽들 상의 패키지에 연결되고, 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다. 도 10a는, 캔틸레버가 패키지의 내부 벽들 중 하나 상의 이중 유연 스토퍼들과 접촉하기 전의 에너지 하베스터 디바이스를 도시하고, 도 10b는, 캔틸레버가 이중 유연 스토퍼들과 접촉한 후의 에너지 하베스터 디바이스를 도시한다.
도 11a-b는 정지하고 있는 공진기 빔에 평행하게 형성된 빔들의 형태인 2개의 유연 스토퍼들을 포함하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 예시한다. 유연 스토퍼들은 패키지의 내부 벽들 중 하나 상의 패키지에 연결된다. 유연 스토퍼들 중 하나는 공진기 빔 위의 패키지에 연결되고, 다른 유연 스토퍼는 공진기 빔 아래의 패키지에 연결된다. 유연 스토퍼들은 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다. 도 11a는, 캔틸레버가 유연 스토퍼와 접촉하기 전의 에너지 하베스터 디바이스를 도시하고, 도 11b는, 캔틸레버가 유연 스토퍼와 접촉한 후의 에너지 하베스터 디바이스를 도시한다.
도 12a-b는 정지하고 있는 공진기 빔에 평행하게 형성된 빔들의 형태인 2개의 유연 스토퍼들을 포함하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 예시한다. 유연 스토퍼들은 패키지의 내부 벽들 중 하나 상의 패키지에 연결된다. 유연 스토퍼들 중 하나는 공진기 빔 위의 패키지에 연결되고, 다른 유연 스토퍼는 공진기 빔 아래의 패키지에 연결된다. 유연 스토퍼들은 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다. 도 12a는, 캔틸레버가 유연 스토퍼와 접촉하기 전의 에너지 하베스터 디바이스를 도시하고, 도 12b는, 캔틸레버가 유연 스토퍼와 접촉한 후의 에너지 하베스터 디바이스를 도시한다.
도 13a-c는 도 11a-b 및 도 12a-b에 도시된 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스들의 특정 실시예에 사용될 수 있는 유연 스토퍼들의 다양한 실시예들을 예시한다. 도 13a-b는 유연 스토퍼들의 측면도들이다. 도 13c는 도 13b에 도시된 유연 스토퍼의 정면도이다. 이들 구조들은, 예를 들어 유연 스토퍼들이 패키지의 내부 벽들 중 하나 상에 형성되고 유연 스토퍼들 중 하나가 공진기 빔 위의 패키지에 연결되고 다른 유연 스토퍼가 공진기 빔 아래의 패키지에 연결될 때 특히 유용하다.
도 14a-c는 기둥의 형태인 유연 스토퍼를 포함하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 다양한 실시예들을 예시한다. 도 14a-c에 도시된 각 실시예들에서, 유연 스토퍼는 내부 벽 상의 패키지에 연결된다. 도 14a-b에서, 유연 스토퍼는 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 공진기 빔과 접촉시에 변형하는 유연 물질로 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다. 도 14a는, 캔틸레버가 유연 스토퍼와 접촉하기 전의 에너지 하베스터 디바이스를 도시하고, 도 14b는, 캔틸레버가 유연 스토퍼와 접촉한 후의 에너지 하베스터 디바이스를 도시한다. 도 14c에서, 유연 스토퍼는 유연 효과를 생성하기 위해 그 위치를 이동시키는 방식으로 구성되다. 또한, 도 14c에 도시된 에너지 하베스터 디바이스는 캔틸레버가 연결되는 베이스를 갖고, 여기서 베이스는 도 14a-b에 도시된 바와 같이, 패키지에 연결되거나 이와 일체로 되는 캔틸레버와 대조적으로, 패키지와 별개의 구조이다.
도 15는 정지하고 있는 공진기 빔에 수직으로 형성된 기둥들의 형태인 2개의 유연 스토퍼들을 포함하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예의 측면도이다. 유연 스토퍼들은 대향하는 내부 벽들 상의 패키지에 연결된다. 도면상의 마킹들은 수학식
에 따라 압전 캔틸레버의 토크 밸런스(torque balance)를 최적화하기 위해 패키지 벽들 상에 위치하는 유연 스토퍼에 대한 수치적 고려사항들을 증명한다.
도 16은 스마트 폰에 전력을 공급하기 위해 전기 에너지를 제공하도록 스마트 폰에 전기적으로 결합되는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 포함하는 전기 동력 스마트 폰을 포함하는 본 발명의 시스템의 일 실시예를 예시한다.
도 17은 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예을 생성하기 위한 계층형 물질 스택의 측면도이다. 계층형 물질 스택은 실리콘 웨이퍼, 제 1 실리콘 이산화물 층, 캔틸레버 물질, 제 2 실리콘 이산화물 층, 선택적인 접착 층, 제 1 금속 층, 압전 물질 층, 및 제 2 금속 층을 포함한다.
도 18은 계층형 물질 스택으로부터 압전 물질 층 및 금속 층(들)의 부분들을 제거하기 위해 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법의 일 실시예에 따라 패터닝(patterned)된 도 17의 계층형 물질 스택의 측면도이다.
도 19는 계층형 물질 스택으로부터 그 부분을 제거하도록 제 1 금속 층이 패터닝되는 도 18의 계층형 물질 스택의 측면도이다.
도 20은 계층형 물질 스택으로부터 제 2 실리콘 이산화물 층, 캔틸레버 물질, 및 제 1 실리콘 이산화물 층의 부분들을 제거하기 위해 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법의 일 실시예에 따라 추가로 패터닝된 도 19의 계층형 물질 스택의 측면도이다.
도 21은 도 20의 계층형 물질 스택의 측면도로서, 제 3 실리콘 이산화물 층은 패터닝된 압전 스택 층 및 패터닝된 제 2 실리콘 이산화물 층, 캔틸레버 물질, 및 제 1 실리콘 이산화물 층 위에 증착되는, 측면도이다.
도 22는 압전 스택의 부분 및 노출된 실리콘 웨이퍼의 부분을 남기기 위해 제 3 실리콘 이산화물 층의 부분을 제거하도록 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법의 일 실시예에 따라 패터닝된 도 20의 계층형 물질 스택의 측면도이다.
도 23은 도 22의 계층형 물질 스택의 측면도로서, 금속 본드패드(bondpad) 층은 패터닝된 제 3 실리콘 이산화물 층, 및 압전 스택과 실리콘 웨이퍼의 부분들 위에 증착된다.
도 24는 금속 본드패드 층의 부분들을 제거하도록 패터닝된 도 23의 계층형 물질 스택의 측면도이다.
도 25는 도 24의 계층형 물질 스택의 측면도로서, 실리콘 웨이퍼의 부분들은 공진기 빔, 베이스 및 질량부를 생성하도록 에칭되어, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에 사용하기 위한 캔틸레버 구조의 일 실시예를 생성하는, 측면도이다.
도 26은 도 11a에 도시된 에너지 하베스터 디바이스의 섹션의 측면도이다. 도 26은 적소에 유연 스토퍼(14A)를 갖는 도 11a의 에너지 하베스터 디바이스(10)의 상부 부분을 도시한다.
도 27a-c는 도 26의 유연 스토퍼(14A)를 갖는 에너지 하베스터 디바이스(10)의 섹션(즉, 상부 부분)을 형성하기 위한 프로세스 단계들을 도시한 측면도이다.
도 28은 도 15에 도시된 에너지 하베스터 디바이스의 섹션의 측면도이다. 도 28은 적소에 유연 스토퍼(14A)를 갖는 도 15의 에너지 하베스터 디바이스(10)의 상부 부분을 도시한다.
도 29a-c는 도 28의 유연 스토퍼(14A)를 갖는 에너지 하베스터 디바이스(10)의 섹션(즉, 상부 부분)을 형성하기 위한 프로세스 단계들을 도시한 측면도이다.
도 2a-b는 종래 기술의 에너지 하베스터 디바이스들의 측면도이다. 도 2a에서, 에너지 하베스터 디바이스는 패키지의 내부 벽들 상에 스토퍼 구조를 갖지 않는다. 그 결과, 캔틸레버 구조는 편향 동안 패키지의 내부 벽들과 접촉하고, 이것은 캔틸레버의 변형 및 가능한 파손을 초래한다. 도 2b에서, 에너지 하베스터 디바이스는 패키지의 2개의 대향하는 내부 벽들 상에 스토퍼 구조를 포함한다. 하지만, 스토퍼 구조들은 패키지 내에 포함된 압전 캔틸레버 구조와 접촉시에 형태(유연성)에 있어서 변형을 경험하지 않는 단단한 비-유연(non-compliant) 물질로 형성된다. 이것은 캔틸레버의 변형 및 가능한 파손을 야기할 수 있다.
도 3a-b는 도 2에 도시된 종래 기술의 에너지 하베스터 디바이스의 캔틸레버 구조의 G-가속도 프로필(도 3b)를 예시하며, 캔틸레버는 최소의 유연성(compliance)를 갖거나 유연성을 갖지 않는(즉, 단단한)(도 3a) 내부 벽 상에 위치된 스토퍼와 접촉한다.
도 4a-b는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예의 캔틸레버 구조의 G-가속도 프로필(도 4b)을 예시하며, 캔틸레버는 패키지의 내부 벽 상에 유연 스토퍼 구조와 접촉한다(도 4a). 도 4a에서, 도시되는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 특정 실시예는 제 1 및 제 2 단부를 갖는 공진기 빔으로서, 공진기 빔은 압전 물질을 포함하는, 공진기 빔; 제 1 단부에서 공진기 빔에 연결된 베이스로서, 제 2 단부는 캔틸레버로서 베이스로부터 연장하는, 베이스; 공진기 빔의 제 2 단부에 부착된 질량부; 및 공진기 빔을 둘러싸는 패키지를 포함한다. 유연 스토퍼는 패키지에 연결되고, 스토퍼는 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다.
도 5는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에 사용하기 위한 유연 스토퍼의 일 실시예의 측면도를 예시한다. 유연 스토퍼는 기둥의 형태이고, 압전 캔틸레버 구조를 포함하는 패키지의 (예를 들어, 대향하는) 내부 벽들 상에 형성될 수 있다.
도 6a-b는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에 사용하기 위한 유연 스토퍼들의 2가지 상이한 실시예들의 측면도들을 예시한다. 유연 스토퍼들은 구형(도 6a) 및 반구(도 6b)의 형태이고, 압전 캔틸레버 구조를 포함하는 패키지의 (예를 들어, 대향하는) 내부 벽들 상에 형성될 수 있다. 대안적으로, 도 6a-b는 내부(상부) 벽을 따라 공진기 빔에 길이 방향으로 평행하게 형성된 로드(rod) 또는 실린더(도 6a) 또는 부분 실린더(도 6b)의 형태인 유연 스토퍼들의 정면도들이다.
도 7은 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에 사용하기 위한 유연 스토퍼의 일 실시예의 측면도를 예시한다. 유연 스토퍼는 도 8a-e의 정면도들에 도시된 바와 같이 기둥 또는 다른 설계의 형태이고, 압전 캔틸레버 구조를 포함하는 패키지의 (예를 들어, 대향하는) 내부 벽들 상에 형성될 수 있다.
도 8a-e는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에 사용하기 위한 유연 스토퍼들의 5가지 상이한 실시예들의 정면도들을 예시한다. 유연 스토퍼들의 이들 특정 실시예들은 도 7에 도시된 유연 스토퍼의 측면도 프로필을 갖거나 갖지 않을 수 있다. 유연 스토퍼들은 유연 스트립(도 8a), 유연 현가된 스트립들(도 8b, 도 8d, 및 도 8e), 유연 이중 형성들(도 8c)의 형태이고, 압전 캔틸레버 구조를 포함하는 패키지의 (예를 들어, 대향하는) 내부 벽들 상에 형성될 수 있다.
도 9a-b는 정지하고 있는 공진기 빔에 수직으로 형성된 기둥들의 형태인 2개의 유연 스토퍼들을 포함하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 예시한다. 2개의 유연 스토퍼들은 대향하는 내부 벽들 상의 패키지에 연결된다. 유연 스토퍼들은 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다. 도 9a는, 캔틸레버가 유연 스토퍼 구조와 접촉하기 전의 에너지 하베스터 디바이스를 도시하고, 도 9b는, 캔틸레버가 유연 스토퍼 구조와 접촉한 후의 에너지 하베스터 디바이스를 도시한다.
도 10a-b는 균일하지 않은 이중 기둥들의 형태인 유연 스토퍼들을 포함하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 예시한다. 유연 스토퍼들은 대향하는 내부 벽들 상의 패키지에 연결되고, 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다. 도 10a는, 캔틸레버가 패키지의 내부 벽들 중 하나 상의 이중 유연 스토퍼들과 접촉하기 전의 에너지 하베스터 디바이스를 도시하고, 도 10b는, 캔틸레버가 이중 유연 스토퍼들과 접촉한 후의 에너지 하베스터 디바이스를 도시한다.
도 11a-b는 정지하고 있는 공진기 빔에 평행하게 형성된 빔들의 형태인 2개의 유연 스토퍼들을 포함하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 예시한다. 유연 스토퍼들은 패키지의 내부 벽들 중 하나 상의 패키지에 연결된다. 유연 스토퍼들 중 하나는 공진기 빔 위의 패키지에 연결되고, 다른 유연 스토퍼는 공진기 빔 아래의 패키지에 연결된다. 유연 스토퍼들은 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다. 도 11a는, 캔틸레버가 유연 스토퍼와 접촉하기 전의 에너지 하베스터 디바이스를 도시하고, 도 11b는, 캔틸레버가 유연 스토퍼와 접촉한 후의 에너지 하베스터 디바이스를 도시한다.
도 12a-b는 정지하고 있는 공진기 빔에 평행하게 형성된 빔들의 형태인 2개의 유연 스토퍼들을 포함하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 예시한다. 유연 스토퍼들은 패키지의 내부 벽들 중 하나 상의 패키지에 연결된다. 유연 스토퍼들 중 하나는 공진기 빔 위의 패키지에 연결되고, 다른 유연 스토퍼는 공진기 빔 아래의 패키지에 연결된다. 유연 스토퍼들은 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다. 도 12a는, 캔틸레버가 유연 스토퍼와 접촉하기 전의 에너지 하베스터 디바이스를 도시하고, 도 12b는, 캔틸레버가 유연 스토퍼와 접촉한 후의 에너지 하베스터 디바이스를 도시한다.
도 13a-c는 도 11a-b 및 도 12a-b에 도시된 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스들의 특정 실시예에 사용될 수 있는 유연 스토퍼들의 다양한 실시예들을 예시한다. 도 13a-b는 유연 스토퍼들의 측면도들이다. 도 13c는 도 13b에 도시된 유연 스토퍼의 정면도이다. 이들 구조들은, 예를 들어 유연 스토퍼들이 패키지의 내부 벽들 중 하나 상에 형성되고 유연 스토퍼들 중 하나가 공진기 빔 위의 패키지에 연결되고 다른 유연 스토퍼가 공진기 빔 아래의 패키지에 연결될 때 특히 유용하다.
도 14a-c는 기둥의 형태인 유연 스토퍼를 포함하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 다양한 실시예들을 예시한다. 도 14a-c에 도시된 각 실시예들에서, 유연 스토퍼는 내부 벽 상의 패키지에 연결된다. 도 14a-b에서, 유연 스토퍼는 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 공진기 빔과 접촉시에 변형하는 유연 물질로 구성되어 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지한다. 도 14a는, 캔틸레버가 유연 스토퍼와 접촉하기 전의 에너지 하베스터 디바이스를 도시하고, 도 14b는, 캔틸레버가 유연 스토퍼와 접촉한 후의 에너지 하베스터 디바이스를 도시한다. 도 14c에서, 유연 스토퍼는 유연 효과를 생성하기 위해 그 위치를 이동시키는 방식으로 구성되다. 또한, 도 14c에 도시된 에너지 하베스터 디바이스는 캔틸레버가 연결되는 베이스를 갖고, 여기서 베이스는 도 14a-b에 도시된 바와 같이, 패키지에 연결되거나 이와 일체로 되는 캔틸레버와 대조적으로, 패키지와 별개의 구조이다.
도 15는 정지하고 있는 공진기 빔에 수직으로 형성된 기둥들의 형태인 2개의 유연 스토퍼들을 포함하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예의 측면도이다. 유연 스토퍼들은 대향하는 내부 벽들 상의 패키지에 연결된다. 도면상의 마킹들은 수학식
도 16은 스마트 폰에 전력을 공급하기 위해 전기 에너지를 제공하도록 스마트 폰에 전기적으로 결합되는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 포함하는 전기 동력 스마트 폰을 포함하는 본 발명의 시스템의 일 실시예를 예시한다.
도 17은 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예을 생성하기 위한 계층형 물질 스택의 측면도이다. 계층형 물질 스택은 실리콘 웨이퍼, 제 1 실리콘 이산화물 층, 캔틸레버 물질, 제 2 실리콘 이산화물 층, 선택적인 접착 층, 제 1 금속 층, 압전 물질 층, 및 제 2 금속 층을 포함한다.
도 18은 계층형 물질 스택으로부터 압전 물질 층 및 금속 층(들)의 부분들을 제거하기 위해 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법의 일 실시예에 따라 패터닝(patterned)된 도 17의 계층형 물질 스택의 측면도이다.
도 19는 계층형 물질 스택으로부터 그 부분을 제거하도록 제 1 금속 층이 패터닝되는 도 18의 계층형 물질 스택의 측면도이다.
도 20은 계층형 물질 스택으로부터 제 2 실리콘 이산화물 층, 캔틸레버 물질, 및 제 1 실리콘 이산화물 층의 부분들을 제거하기 위해 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법의 일 실시예에 따라 추가로 패터닝된 도 19의 계층형 물질 스택의 측면도이다.
도 21은 도 20의 계층형 물질 스택의 측면도로서, 제 3 실리콘 이산화물 층은 패터닝된 압전 스택 층 및 패터닝된 제 2 실리콘 이산화물 층, 캔틸레버 물질, 및 제 1 실리콘 이산화물 층 위에 증착되는, 측면도이다.
도 22는 압전 스택의 부분 및 노출된 실리콘 웨이퍼의 부분을 남기기 위해 제 3 실리콘 이산화물 층의 부분을 제거하도록 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법의 일 실시예에 따라 패터닝된 도 20의 계층형 물질 스택의 측면도이다.
도 23은 도 22의 계층형 물질 스택의 측면도로서, 금속 본드패드(bondpad) 층은 패터닝된 제 3 실리콘 이산화물 층, 및 압전 스택과 실리콘 웨이퍼의 부분들 위에 증착된다.
도 24는 금속 본드패드 층의 부분들을 제거하도록 패터닝된 도 23의 계층형 물질 스택의 측면도이다.
도 25는 도 24의 계층형 물질 스택의 측면도로서, 실리콘 웨이퍼의 부분들은 공진기 빔, 베이스 및 질량부를 생성하도록 에칭되어, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에 사용하기 위한 캔틸레버 구조의 일 실시예를 생성하는, 측면도이다.
도 26은 도 11a에 도시된 에너지 하베스터 디바이스의 섹션의 측면도이다. 도 26은 적소에 유연 스토퍼(14A)를 갖는 도 11a의 에너지 하베스터 디바이스(10)의 상부 부분을 도시한다.
도 27a-c는 도 26의 유연 스토퍼(14A)를 갖는 에너지 하베스터 디바이스(10)의 섹션(즉, 상부 부분)을 형성하기 위한 프로세스 단계들을 도시한 측면도이다.
도 28은 도 15에 도시된 에너지 하베스터 디바이스의 섹션의 측면도이다. 도 28은 적소에 유연 스토퍼(14A)를 갖는 도 15의 에너지 하베스터 디바이스(10)의 상부 부분을 도시한다.
도 29a-c는 도 28의 유연 스토퍼(14A)를 갖는 에너지 하베스터 디바이스(10)의 섹션(즉, 상부 부분)을 형성하기 위한 프로세스 단계들을 도시한 측면도이다.
본 발명은 패키징된 압전 에너지 하베스터 디바이스, 압전 에너지 하베스터 디바이스를 포함하는 시스템, 및 압전 에너지 하베스터 디바이스를 사용하고 제작하는 방법들에 관한 것이다. 본 발명의 압전 에너지 하베스터 디바이스는 캔틸레버/패키지 상호 작용을 안정화하는 기능을 제공하기 위해 패키지 상에 형성된 유연 스토퍼를 병합한다.
본 발명의 하나의 측면은 압전 물질을 포함하는 세장형 공진기 빔으로서, 공진기 빔은 제 1 및 제 2 단부들 사이에서 연장되는, 공진기 빔; 제 1 단부에서 공진기 빔에 연결된 베이스로서, 제 2 단부는 캔틸레버로서 베이스로부터 구속받지 않고 연장되는, 베이스; 공진기 빔의 제 2 단부에 부착된 질량부; 공진기 빔의 제 2 단부의 적어도 일부분을 둘러싸는 패키지; 및 패키지에 연결된 유연 스토퍼로서, 스토퍼는 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 파손을 방지하는, 유연 스토퍼를 포함하는 에너지 하베스터 디바이스에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예의 측면도(또는 단면도)가 도시된다. 특히, 에너지 하베스터 디바이스(10)는 압전 물질을 포함하는 공진기 빔(12)을 포함한다. 공진기 빔(12)은 공진기 빔(12)의 제 1 단부(16)와 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18) 사이에서 연장된다. 또한 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)의 적어도 일부분을 둘러싸는 패키지를 형성하는 베이스(20)는 제 1 단부(16)에서 공진기 빔(12)에 연결되고, 제 2 단부(18)는 캔틸레버로서 베이스(20)로부터 구속받지 않고 연장된다. 에너지 하베스터 디바이스(10)는 또한 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)에 부착된 질량부(22)를 포함한다. 유연 스토퍼들(14A 및 14B)은 패키지(20)의 내부 벽들(21A 및 21B) 상에 형성되고, 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 캔틸레버의 변형 및/또는 파손을 방지한다.
에너지 하베스터 디바이스(10)는 공진기 빔(12)의 압전 물질과 접촉하는 하나 이상의 전극들(24)을 또한 포함한다. 일 실시예에 따라, 전극들(24)은 몰리브덴 및 백금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하지만, 전극 구조들을 형성하는데 적합한 다른 물질들이 또한 사용될 수 있다. 더욱이, 에너지 하베스터 디바이스(10)는 공진기 빔(12)의 압전 물질로부터 전기 에너지를 수확하기 위해 하나 이상의 전극들(24)과 전기 연결되는 전기 수확 회로를 추가로 포함할 수 있다. 아래에 더 구체적으로 기재된 바와 같이, 전기 수확 회로는 압전 물질로부터 생성되고 장치에 공급된 전력을 제공하기 위해 전기 전력 공급된 장치에 전기적으로 결합될 수 있다.
에너지 하베스터 디바이스(10)의 공진기 빔(12)은 압전 물질을 포함한다. 압전 물질들은, 기계적 스트레인(mechanical strain)을 받을 때 전기적으로 분극화되는 물질들이다. 분극화 정도는 인가된 스트레인에 비례한다. 압전 물질들은 널리 알려져 있고, 단결정(예를 들어, 석영), 압전 세라믹(예를 들어, 리드 지르코네이트 티타네이트 또는 PZT), 박막(예를 들어, 스퍼터링된 아연 산화물), 압전 세라믹 분말들에 기초한 스크린 프린팅가능 박막들(예를 들어, 그 전체가 참고로서 병합되는, Baudry의 "스크린-프린팅 압전 디바이스들(Screen-printing Piezoelectric Devices),"제 6회 유럽 미세 전자기기 컨퍼런스 회보(영국, 런던) pp.456-63(1987) 및 White & Turner의 "두꺼운-필름 센서들: 과거, 현재 및 미래(Thick-film Sensors: Past, Present and Future)," Meas. Sci. Technol. 8:1-20(1997)을 참조), 및 폴리비닐리덴플루오라이드("PVDF")와 같은 중합 물질들(예를 들어, 그 전체가 참고로서 병합되는 Lovinger의 "강유전성의 폴리머들(Ferroelectric Polymers)," Science 220:1115-21(1983)을 참조)을 포함하는 많은 형태들에서 이용가능하다.
압전 물질들은 일반적으로 이방성 특징들을 나타낸다. 따라서, 물질의 특성들은 분극 및 전극들의 힘 및 배향의 방향에 따라 상이하다. 물질의 압전 활동의 레벨은 표시 축들과 연계하여 사용된 일련의 상수들에 의해 정의된다. 압전 스트레인 상수(d)는 
로서 정의될 수 있다(그 전체가 참고로서 병합되는 Beeby 등의 "마이크로시스템들 응용을 위한 에너지 하베스팅 진동 소스들(Energy Harvesting Vibration Sources for Microsystems Applications)," Meas. Sci. Technol. 17:R175-R195(2006)).
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에서, 공진기 빔(12)은 캔틸레버로서 베이스(20)로부터 구속받지 않고 연장되는 제 2 단부(18)를 갖는다. 압전 물질을 포함하는 캔틸레버 구조는 벤딩(bending) 모드로 동작하도록 설계되어, 이를 통해 압전 물질을 신장시키고, d 효과로부터 전하를 생성한다(그 전체가 참고로서 병합되는 Beeby 등의 "마이크로시스템들 응용을 위한 에너지 하베스팅 진동 소스들(Energy Harvesting Vibration Sources for Microsystems Applications)," Meas. Sci. Technol. 17:R175-R195(2006)). 캔틸레버는 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)에 부착된 질량부(22)의 존재에 의해 추가로 감소된 저 공진 주파수를 제공한다.
동작 중인 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스(10)의 공진기 빔(12)의 공진 주파수들은 약 50 Hz 내지 약 4,000 Hz, 약 100 Hz 내지 약 3,000 Hz, 약 100 Hz 내지 약 2,000 Hz, 또는 약 100 Hz 내지 약 1,000 Hz의 주파수들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 공진기 빔(12)은 복수의 층들로 형성된 라미네이트(laminate)을 포함하고, 복수의 층들 중 적어도 하나는 압전 물질을 포함한다. 적합한 압전 물질은 제한 없이, 알루미늄 니트라이드, 아연 산화물, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 및 리드 지르코네이트 티티네이트에 기초한 화합물들을 포함한다. 다른 비-압전 물질들은 또한 압전 물질의 층과 함께 층들로서 사용될 수 있다. 다른 층들의 비-제한적인 예들은 도 17의 계층형 물질 스택(50)에 대해 아래에 기재된 것들을 포함한다.
공진기 빔(12)은 공진기 빔(12)의 튜닝에 도움을 주고 구조적 지지부를 제공하기 위해 다양한 형태들 및 구성들을 취하는 측벽들을 가질 수 있다. 일 실시예에 따라, 공진기 빔(12)은 그 전체가 참고로서 병합되는 미국 특허 출원 번호 14/145,534에 기재된 바와 같이, 공진기 빔(12)의 평면 내에서 연속적으로 굴곡지는 측벽들을 갖는다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스(10)는 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)에서 질량부(22)를 포함한다. 질량부(22)는 공진기 빔(12)의 주파수를 낮추고, 또한 공진기 빔(12)의 전력 출력(즉, 압전 물질에 의해 생성된)을 증가시키도록 제공된다. 질량부(22)는 단일 물질 또는 다수의 물질들(예를 들어, 물질들의 층들)로 구성될 수 있다. 일 실시예에 따라, 질량부(22)는 실리콘 웨이퍼 물질로 형성된다. 다른 적합한 물질들은 제한 없이, 전기 도금 또는 열 증발에 의해 증착된 구리, 금 및 니켈을 포함한다.
일 실시예에서, 공진기 빔(12)당 단일 질량부(22)가 제공된다. 하지만, 하나보다 많은 질량부(22)는 또한 공진기 빔(12)에 부착될 수 있다. 다른 실시예들에서, 질량부(22)는 예를 들어, 공진기 빔(12)을 따라 상이한 장소들에 제공된다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 유연 스토퍼는 다양한 물질들로 구성될 수 있다. 스토퍼는 물질 선택, 설계, 또는 물질 선택과 설계 모두를 통해 유연하게 이루어질 수 있다. 일 실시예에 따라, 스토퍼는 패키지에 일체로 된 물질로 만들어진다. 이 실시예에 따른 적합한 물질들은 제한 없이, 플라즈마-개선된 화학 증기 증착(PECVD)로부터 유리, 금속, 실리콘, 산화물들 또는 질화물들, 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 스토퍼는 패키지에 일체로 되지 않는다. 이 실시예에 따른 스토퍼에 대한 적합한 물질들은 제한 없이, 유리, 금속, 고무, 및 다른 폴리머, 세라믹, 폼(foams), 및 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 유연 스토퍼에 대한 다른 적합한 물질들은 시클로올레핀 폴리머들 및 액정 폴리머들과 같지만, 여기에 한정되지 않는 낮은 수분 침투를 갖는 폴리머들을 포함한다. 액정 폴리머들은 사출 몰딩될 수 있다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스(10)는 집적된 자가-패키징된 유닛에 형성될 수 있다. 특히, 또한 공진기 빔(12)의 제 1 단부(16)가 부착되는 베이스를 형성하는 패키지(20)는 캔틸레버 구조를 (적어도 부분적으로) 동봉하도록 캔틸레버 구조(즉, 공진기 빔(12) 및 질량부(22))를 둘러싸도록 도시된다. 본 발명에서, 패키지는 에너지 하베스터 디바이스를 완전히 동봉할 수 있거나, 에너지 하베스터 디바이스를 대기로 배출하도록 형성될 수 있다. 에너지 하베스터 디바이스를 완전히 동봉할 때, 동봉된 패키지 내의 압력은 대기압보다 높거나, 동일하거나, 낮을 수 있다. 일 실시예에서, 동봉된 패키지에서의 대기는 대기압보다 낮은데, 예를 들어 1 Torr 미만이다.
당업자가 쉽게 인식하는 바와 같이, 공진기 빔(12)은 공진기 빔(12)의 단면 형태, 공진기 빔(12)의 단면 치수들, 공진기 빔(12)의 길이, 질량부(22)의 질량, 공진기 빔(12) 상의 질량부(22)의 장소, 및 공진기 빔(12)을 제작하는데 사용된 물질들과 같은 임의의 하나 이상의 파라미터들의 수를 변화시킴으로써 튜닝될 수 있다.
동작시, 하나 이상의 전극들(24)은, 공진기 빔(12)이 이동할 때 공진기 빔(12)의 압전 물질로부터 전하를 수확한다. 따라서, 전극들(24)은 공진기 빔(12)의 압전 물질과 전기적으로 연결된다.
공진기 빔(12)의 압전 물질로부터 수집된 전기 에너지는 이 후 전기 하베스팅으로 전달된다. 일 실시예에서, 전기 수확 회로는 에너지 하베스터 디바이스와 일체로 된다. 다른 실시예에서, 전기 수확 회로는 전기 하베스터 디바이스와 일체로 되지 않는다. 예를 들어, 전기 수확 회로는 개별 칩 또는 보드일 수 있거나, 개별 칩 또는 보드 상에 존재한다.
종래 기술의 에너지 하베스터 디바이스들은 도 2a-b에 도시된다. 특히, 도 2a에서, 에너지 하베스터 디바이스는 패키지의 내부 벽들 상에 스토퍼 구조를 갖지 않는다. 그 결과, 캔틸레버 구조(공진기 빔(112)의 단부(118))는 편향 동안 공진기 빔을 동봉하는 패키지의 내부 벽(121A)과 접촉하고, 이것은 캔틸레버(112)의 변형을 초래한다. 이러한 유형의 변형은 캔틸레버(112)의 파손을 야기할 수 있다. 도 2b에서, 에너지 하베스터 디바이스는 패키지의 2개의 대향하는 내부 벽들 상에 스토퍼 구조들(214A 및 214B)을 포함한다. 하지만, 스토퍼 구조들(214A 및 214B)은 공진기 빔(212)(제 2 단부(218)에서)과 접촉시에 형태(유연성)에서 변형을 경험하지 않는 단단한 비-유연 물질로 형성된다.
도 3a-b는 도 2a에 도시된 종래 기술의 에너지 하베스터 디바이스의 캔틸레버 구조의 G-가속도 프로필(도 3b)을 도시한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 캔틸레버(공진기 빔(212))는 패키지의 내부 벽 상에 위치된 스토퍼(214A)와 접촉한다. 스토퍼(214A)는 최소의 유연성을 갖거나 유연성을 갖지 않는데(즉, 단단한데), 이것은 도 3b의 G-가속도 대 시간 곡선에 도시된 높은 및 좁은 피크를 고려한다.
이와 대조적으로, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예의 G-가속도 프로필은 도 4a-b에 도시된다. 특히, 제 1 단부(16) 및 제 2 단부(18)를 갖는 공진기 빔(12)을 갖는 에너지 하베스터 디바이스(10)는 패키지(20)의 내부 벽(21A) 상에 위치된 유연 스토퍼(14A)와 접촉한다. 유연 스토퍼(14A)는 유연 물질로 구성됨으로써, 또는 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)에 의해 접촉될 때 그 위치를 조정할 수 있음으로써 유연해진다. 스토퍼(14A)의 유연성은 도 4b의 G-가속도 대 시간 곡선의 상대적으로(도 3b에 비해) 낮고 더 넓은 피크에 반영된다.
일 실시예에서, G-가속도 프로필은 유연 스토퍼의 특정 물질 및 설계를 선택하는 것을 고려하여, 충격의 펄스폭과, 후속하여 패키지와의 충격에 대한 공진기 빔(또는 질량부)에 의해 경험된 가속도 레벨을 조정하게 된다. 경험된 가속도의 이러한 하락은 특히, 저압 환경에서 패키징될 때 본 발명의 패키징된 에너지 하베스터 디바이스의 더 큰 강성도를 초래할 것이다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에 사용하기 위한 유연 스토퍼들은 여러 형태들을 취할 수 있다. 예를 들어, 이들 유연 스토퍼들은 패키지에 위치된 삽입부들(inserts)일 수 있거나, 패키지에 일체로 될 수 있다. 하베스터에 의해 경험된 가속도의 변형은 스토퍼 단독의 설계를 통해, 또는 물질의 적절한 선택을 통해 실현될 수 있다. 물질의 적절한 선택은 스토퍼가 패키지에서 삽입부로서 위치될 때 특히 유용하다.
유연 스토퍼 설계들의 다양한 비-제한적인 실시예들은 도 5-14에 도시된다. 도 5 및 도 7에서, 기둥의 형태로 유연 스토퍼들(14A)의 2가지 상이한 실시예들의 측면도들이 도시된다. 도 5에서, 스토퍼(14A)는 캔틸레버와 접촉하게 되는 단부보다 일단부(그 부착물은 패키지의 내부 벽(21A)을 가리킨다)에서 더 좁아진다. 도 7에서, 스토퍼(14A)는 적어도 약 2:1의 높이:폭을 갖는 고 종횡비 특징부이다.
도 6a-b에서, 구형(도 6a) 및 반구(도 6b)의 형태로 유연 스토퍼(14A)의 2가지 상이한 실시예들은 측면도로 도시된다. 유연 스토퍼(14A)는 다른 실시예들에 따라 실린더, 로드(rod), 또는 부분 실린더(즉, 부분 실린더)의 형태일 수 있다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 특정 실시예들에 따라, 스토퍼들(14A)은 코어(17) 및 외부 커버(covering)(15)를 포함하는 2가지 물질들로 구성되며, 이들 2가지 물질들은 동일한 물질이거나 아닐 수 있고, 스토퍼들(14A)의 유연 특성들을 조정하는데 사용된다.
도 8a-e에서, 유연 스토퍼(14A)의 5가지 상이한 실시예들의 정면도들이 도시된다. 특히, 도 8a에서의 유연 스토퍼(14A)는 내부 벽(21A)에 부착된 유연 스트립의 형태이다. 도 8b에서의 유연 스토퍼(14A)는 내부 벽(21A)에 부착된 이중 유연 현가된 스트립들(19A 및 19B)의 형태이다. 일 실시예에 따라, 이중 유연 현가된 스트립들은 단일 물질 또는 다중 물질들로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 현가된 스트립(19A) 및/또는 현가된 스트립(19B)은 현가된 수직 기둥들에 대한 하나의 물질과 수평 스트립들에 대한 다른 물질을 포함하는 2가지 물질들로 구성된다. 도 8c에서의 유연 스토퍼(14A)는 내부 벽(21A)에 부착된 이중 형성들의 형태이다.
도 8d-e에서, 유연 스토퍼(14A)의 2가지 상이한 실시예들은 내부 벽(21A)에 부착된 유연 현가된 빔들의 형태로 도시된다. 도 8d 및 도 8e 모두에서의 스토퍼들(14A)은 원하는 유연성의 양을 조정하기 위해 단일 또는 다중 물질들로 구성될 수 있다. 일 실시예에 따라, 도 8d 또는 도 8e에서의 전체 스토퍼(14A)는 유연 물질로 형성된다. 다른 실시예에 따라, 도 8d 또는 도 8e에서의 스토퍼(14A)의 단지 부분이 유연 물질로 형성된다. 예를 들어, 수평 빔은 강성 물질일 수 있는 한편, 수평 빔을 현가하는 수직 기둥들 중 하나 또는 양쪽 모두는 유연 물질로 형성되거나, 그 반대로도 이루어진다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예는 도 9a-b에 도시된다. 특히, 도 9a에서, 에너지 하베스터 디바이스(10)는 압전 물질을 포함하는 공진기 빔(12)을 포함한다. 공진기 빔(12)은 공진기 빔(12)의 제 1 단부(16)와 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18) 사이에서 연장된다. 또한 공진기 빔(12)의 패키지 둘러싸는 제 2 단부(18)를 형성하는 베이스(20)는 제 1 단부(16)에서 공진기 빔(12)에 연결되고, 제 2 단부(18)는 캔틸레버로서 베이스(20)로부터 구속받지 않고 연장한다. 에너지 하베스터 디바이스(10)는 또한 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)에 부착된 질량부(22)를 포함한다. 유연 스토퍼들(14A 및 14B)은 각각 패키지(20)의 내부 벽들(21A 및 21B) 상에 형성된다. 도 9b는 유연 스토퍼(14A)와의 캔틸레버 구조(특히, 공진기 빔(18)의 제 2 단부(18))의 상호 작용을 도시한다. 특히, 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)는 유연 스토퍼(14A)와 접촉할 정도로 충분히 위로 멀리 벤딩되고, 그 위에서 유연 스토퍼(14A)는 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)와의 접촉에 응답하여 내부 벽(21A)에 대해 수직 위치를 조정하도록 도시된다. 따라서, 유연 스토퍼(14A)는 패키지(20)의 임의의 다른 부분들(특히 내부 벽(21A))과의 공진기 빔(12)의 임의의 접촉을 방지하고, 또한 에너지 하베스터 디바이스(10)에 의해 경험된 G 가속도 프로필을 변화시킨다(도 3a-b와 도 4a-b를 참조). 유사한 방식으로, 유연 스토퍼(14B)는 패키지(20)의 임의의 다른 부분들(특히 내부 벽(21A)과 마주보는 내부 벽(21B))과의 공진기 빔(12)( 및 질량부(22))의 임의의 접촉을 방지한다. 스토퍼들(14A 및 14B)과의 캔틸레버의 상호 작용은 공진기 빔(12)의 움직임을 안정화하고, 진동 동안 공진기 빔(12)의 변형 및/또는 파손을 방지한다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 다른 실시예는 도 10a-b에 도시된다. 특히, 도 10a에서, 에너지 하베스터 디바이스(10)는 압전 물질을 포함하는 공진기 빔(12)을 포함한다. 공진기 빔(12)은 공진기 빔(12)의 제 1 단부(16)와 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18) 사이에서 연장된다. 또한 공진기 빔(12)의 패키지 둘러싸는 제 2 단부(18)를 형성하는 베이스(20)는 제 1 단부(16)에서 공진기 빔(12)에 연결되고, 제 2 단부(18)는 캔틸레버로서 베이스(20)로부터 구속받지 않고 연장한다. 에너지 하베스터 디바이스(10)는 또한 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)에 부착된 질량부(22)를 포함한다. 유연 스토퍼들(14A(1) 및 14A(2)와, 14B(1) 및 14B(2))은 각각 패키지(20)의 내부 벽들(21A 및 21B) 상에 형성된다. 도 10b는 유연 스토퍼들(14A(1) 및 14A(2))과의 캔틸레버 구조(특히, 공진기 빔(18)의 제 2 단부(18))의 상호 작용을 도시한다. 특히, 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)는 유연 스토퍼들(14A(1) 및 14A(2))과 접촉할 정도로 충분히 위로 멀리 벤딩되고, 그 위에서 유연 스토퍼들(14A(1) 및 14A(2))은 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)와의 접촉에 응답하여 내부 벽(21A)에 대해 수직 위치를 조정하도록 도시된다. 따라서, 유연 스토퍼들(14A(1) 및 14A(2))은 패키지(20)의 임의의 다른 부분들(특히, 내부 벽(21A))과의 공진기 빔(12)의 임의의 접촉을 방지하고, 또한 에너지 하베스터 디바이스(10)에 의해 경험된 G 가속도 프로필을 변화시킨다(도 3a-b와 도 4a-b를 참조). 유사한 방식으로, 유연 스토퍼들(14B(1) 및 14B(2))은 패키지(20)의 임의의 다른 부분들(특히, 내부 벽(21A)과 마주보는 내부 벽(21B))과의 공진기 빔(12)( 및 질량부(22))의 임의의 접촉을 방지한다. 스토퍼들(14A(1) 및 14A(2)와, 14B(1) 및 14B(2))과의 캔틸레버의 상호 작용은 공진기 빔(12)의 움직임을 안정화하고, 진동 동안 공진기 빔(12)의 변형 및/또는 파손을 방지한다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 또 다른 실시예는 도 11a-b에 도시된다. 특히, 도 11a에서, 에너지 하베스터 디바이스(10)는 압전 물질을 포함하는 공진기 빔(12)을 포함한다. 공진기 빔(12)은 공진기 빔(12)의 제 1 단부(16)와 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18) 사이에서 연장된다. 또한 공진기 빔(12)의 패키지 둘러싸는 제 2 단부(18)를 형성하는 베이스(20)는 제 1 단부(16)에서 공진기 빔(12)에 연결되고, 제 2 단부(18)는 캔틸레버로서 베이스(20)로부터 구속받지 않고 연장한다. 에너지 하베스터 디바이스(10)는 또한 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)에 부착된 질량부(22)를 포함한다. 유연 스토퍼들(14A 및 14B)은 패키지(20)의 내부 벽(23) 상에 형성된다. 특히, 유연 스토퍼(14A)는 내부 벽(23) 상에서 공진기 빔(12) 위에 위치되도록 도시되고, 유연 스토퍼(14B)는 내부 벽(23) 상에서 공진기 빔(12) 아래로 위치되도록 도시된다. 예를 들어, 도 9a-b와 도 10a-b에 도시된 실시예들과 달리, 도 11a-b에 도시된 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 특정 실시예에서 패키지(20)의 대향하는 내부 벽들(21A 및 21B) 상에 유연 스토퍼가 형성되지 않는다. 도 11b는 유연 스토퍼(14A)와의 캔틸레버 구조(특히, 공진기 빔(18)의 제 2 단부(18))의 상호 작용을 도시한다. 특히, 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)는 유연 스토퍼(14A)와 접촉할 정도로 충분히 위로 멀리 벤딩되고, 그 위에서 유연 스토퍼(14A)는 공진기 빔(12)과의 접촉에 응답하여 내부 벽(23)에 수직인 위치를 조정하도록 도시된다. 따라서, 유연 스토퍼(14A)는 패키지(20)의 임의의 다른 부분들(특히 내부 벽(21A))과의 공진기 빔(12)의 임의의 접촉을 방지하고, 또한 에너지 하베스터 디바이스(10)에 의해 경험된 G 가속도 프로필을 변화시킨다(도 3a-b 및 도 4a-b를 참조). 유사한 방식으로, 유연 스토퍼(14B)는 패키지(20)의 임의의 다른 부분들(특히 내부 벽(21A)과 마주보는 내부 벽(21B))과의 공진기 빔(12)( 및 질량부(22))의 임의의 접촉을 방지한다. 스토퍼들(14A 및 14B)과의 캔틸레버의 상호 작용은 공진기 빔(12)의 움직임을 안정화하고, 진동 동안 공진기 빔(12)의 변형 및/또는 파손을 방지한다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 추가 실시예는 도 12a-b에 도시된다. 특히, 도 12a에서, 에너지 하베스터 디바이스(10)는 압전 물질을 포함하는 공진기 빔(12)을 포함한다. 공진기 빔(12)은 공진기 빔(12)의 제 1 단부(16)와 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18) 사이에서 연장된다. 또한 공진기 빔(12)의 패키지 둘러싸는 제 2 단부(18)를 형성하는 베이스(20)는 제 1 단부(16)에서 공진기 빔(12)에 연결되고, 제 2 단부(18)는 캔틸레버로서 베이스(20)로부터 구속받지 않고 연장된다. 에너지 하베스터 디바이스(10)는 또한 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)에 부착된 질량부(22)를 포함한다. 유연 스토퍼들(14A 및 14B)은 패키지(20)의 내부 벽(23) 상에 형성된다. 특히, 유연 스토퍼(14A)는 공진기 빔(12)쪽으로 형성된 부분(25A)을 갖는 내부 벽(23) 상에서 공진기 빔(12) 위에 위치되도록 도시되고, 유연 스토퍼(14B)는 공진기 빔(12)쪽으로 형성된 부분(25A)을 갖는 내부 벽(23) 상에서 공진기 빔(12) 아래에 위치되도록 도시된다. 도 12b는 유연 스토퍼(14A)와의 캔틸레버 구조(특히, 공진기 빔(18)의 제 2 단부(18))의 상호 작용을 도시한다. 특히, 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)는 유연 스토퍼(14A)의 부분(25A)과 접촉할 정도로 충분히 멀리 위로 벤딩되고, 그 위에서 유연 스토퍼(14A)는 공진기 빔(12)과의 접촉에 응답하여 내부 벽(23)에 수직 위치를 조정하도록 도시된다. 따라서, 유연 스토퍼(14A)는 패키지(20)의 임의의 다른 부분들(특히 내부 벽(21A))과의 공진기 빔(12)의 임의의 접촉을 방지한다. 유사한 방식으로, 유연 스토퍼(14B)는 패키지(20)의 임의의 다른 부분들(특히 내부 벽(21A)과 마주보는 내부 벽(21B))과의 공진기 빔(12)( 및 질량부(22))의 임의의 접촉을 방지하고, 또한 에너지 하베스터 디바이스(10)에 의해 경험된 G 가속도 프로필을 변화시킨다(도 3a-b와 도 4a-b를 참조). 각각 유연 스토퍼들(14A 및 14B)의 부분들(25A 및 25B)의 상호 작용은 공진기 빔(12)의 움직임을 안정화하고, 진동 동안 공진기 빔(12)의 변형 및/또는 파손을 방지한다.
도 11a-b와 도 12a-b에 도시된 에너지 하베스터 디바이스들(10)의 특정 실시예에 도시된 바와 같이, 유연 스토퍼들은 정지하고 있는 캔틸레버에 평행한 패키지 상에 형성될 수 있다. 이 실시예에 따른 유연 스토퍼들의 다양한 실시예들은 도 13a-c에 도시된다. 도 13a는 일직선 빔으로서 형성된 유연 스토퍼이다. 도 13b-c에서, 부분들(25A)은 유연 스토퍼(14a) 상에 형성된다. 도 13c는 측면도인 도 13b의 유연 스토퍼의 정면도이다. 부분들(25A)은 유연 스토퍼(14A)에 사용된 것과 동일하거나 상이한 물질로 구성될 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 유연 스토퍼에서 유연 물질을 병합하는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 도시한다. 특히, 도 14a-b에서, 에너지 하베스터 디바이스(10)는 공진기 빔(12)을 포함하고, 공진기 빔(12)은 압전 물질을 포함하고, 제 1 단부(16) 및 제 2 단부(18)를 갖는다. 패키지(20)로서 형성된 베이스(20)는 제 1 단부(16)에서 공진기 빔(12)에 연결되고, 제 2 단부(18)는 캔틸레버로서 베이스(20)로부터 구속받지 않고 연장된다. 질량부(22)는 공진기 빔(12)의 제 2 단부(18)에 부착된다. 패키지(20)는 공진기 빔(12)을 둘러싼다. 유연 스토퍼(14)(기둥의 형태로)는 패키지(20)의 내부 벽(21) 상에 형성된다. 유연 스토퍼(14)는 캔틸레버의 파손 및/또는 변형을 방지하고 에너지 하베스터 디바이스(10)에 의해 경험된 G 가속도 프로필을 변화시키기 위해 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 공진기 빔(12)과 접촉시 변형하는 유연 물질로 구성된다(도 3a-b와 도 4a-b를 참조). 도 14a는, 캔틸레버가 유연 스토퍼(14)와 충돌하기 전의 에너지 하베스터 디바이스(10)를 도시하고, 도 14b는, 캔틸레버가 유연 스토퍼(14)와 충돌한 후의 에너지 하베스터 디바이스(10)를 도시한다. 내부 벽(21)에 대해 위치를 조정하기보다는, 유연 스토퍼(14)는 캔틸레버의 충격을 흡수한다.
도 14c는 도 14a-b에 비해 유연 스토퍼(14) 및 베이스/패키지(20)에 대한 대안적인 실시예들을 도시한다. 특히, 도 14c에서, 유연 스토퍼(14)는 공진기 빔(12)과 접촉할 때 유연 반응을 제공하기 위해 약간 변위된다. 더욱이, 공진기 빔(12)의 제 1 단부(16)는 베이스(19)에 부착되고, 베이스(19)는 패키지로부터 별개의 구성이지만, 여전히 패키지(20)에 연결되어 있다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예에 따라, 적어도 하나의 유연 스토퍼는 패키지의 하나의 내부 벽 상에 병합된다. 더 자주, 하나보다 많은 유연 스토퍼는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 패키징 상에 포함될 것이다. 일반적으로, 최소한으로 2개의 유연 스토퍼들이 포함되어, 캔틸레버 구조는 캔틸레버가 진동 동안 상승할 때 하나의 유연 스토퍼와 접촉하고, 캔틸레버가 진동 동안 하강될 때 다른 유연 스토퍼와 접촉한다. 하나보다 많은 유연 스토퍼가 사용될 수 있고, 유연 스토퍼들은 캔틸레버 길이의 방향으로 하나보다 많은 장소에서 공진기 빔 및/또는 질량부와 접촉하도록 구성될 수 있다. 하나보다 많은 유연 스토퍼가 단일 에너지 하베스터 디바이스(예를 들어, 상부 벽 상의 유연 스토퍼 및 하부 벽 상의 유연 스토퍼)에 사용될 때, 유연 스토퍼들은 동일한 물질로 구성될 필요가 없거나, 동일한 기하학적 구조를 가질 필요가 없다.
일 실시예에 따라, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 설계할 때, 유연 스토퍼는, 전체 캔틸레버 + 질량부 빔 상의 토크가 0이 되게 하는 지점에서 질량부와 접촉하도록 위치된다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 에너지 하베스터 디바이스(10) 상의 마킹들은 수학식
에 따라 토크 균형을 최적화하기 위해 패키지 벽들 상의 스토퍼 위치 지정을 도시한다.
일 실시예에 따라, XL은, 유연 스토퍼가 질량부와 접촉하게 되는 캔틸레버의 질량부 상의 지점이다. 따라서, 일 실시예에 따라, XL은 유연 스토퍼와의 캔틸레버의 접촉의 단일 지점에 대한 토크 중립 지점(torque neutral position)이다. 유연 스토퍼가 토크 중립 지점에서 캔틸레버와 접촉하면, 접촉으로 인해 에너지 하베스터 디바이스의 이동은 상당히 감소하여, 더 강력한 캔틸레버 이동을 초래한다.
본 발명의 다른 측면은 전기 동력 장치 및 전기 동력 장치에 전기적으로 결합된 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
이제 도 16을 다시 참조하면, 전기 동력 장치(스마트폰)(32)는 에너지 하베스터 디바이스(10)를 (외부 하우징 내에서) 포함하도록 도시된다. 이 실시예에 따라, 에너지 하베스터 디바이스(10)는 스마트폰(32)에 전력 공급하기 위해 독립형 에너지 소스를 제공하고, 이것은 다른 독립형 에너지 소스(예를 들어, 배터리)를 대신하여 또는 이와 연계하여 사용된다. 대안적인 실시예에서, 전기 동력 장치는 예를 들어 태블릿, PC, 및/또는 스마트폰과 전자적으로 통신하는 손목 시계-형 디바이스 또는 목걸이와 같은 웨어러블 디바이스이다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스는 또한 전기 동력 장치와 연관된 배터리를 충전함으로써 전기 동력 장치에 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 에너지 하베스터 디바이스는 전기 동력 장치에 전력 공급하는 배터리에 소량의 전하를 제공할 수 있다.
전기 동력 장치 및 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 포함하는 본 발명의 다른 시스템들은 제한 없이, 랩탑 컴퓨터; 태블릿 컴퓨터; 셀 폰; 스마트폰; e-리더기; MP3 플레이어; 전화 헤드셋; 헤드폰; 라우터; 게이밍 디바이스; 게임 제어기; 모바일 인터넷 어댑터; 카메라; 무선 센서; 태블릿, PC, 및/또는 스마트폰과 통신하는 웨어러블 센서; 무선 센서 모트(산업, 레일, 빌딩, 농업 등을 모니터링하는 네트워크들을 위한); 타이어 압력 센서 모니터; 전자 디스플레이(예를 들어, 전력 툴 위의); 가축을 모니터링하기 위한 농업 디바이스; 의료용 디바이스; 신체 모니터링 디바이스; 및 완구를 포함한다.
예를 들어, 일 실시예에 따라, 본 발명의 시스템은 예를 들어, 임의의 하나 이상의 다양한 환경 특성들(온도, 습도, 빛, 소리, 진동, 바람, 움직임 등)을 모니터링하기 위한 센서를 포함하는 무선 센서 디바이스이다. 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스는 센서에 전력을 공급하기 위해 센서에 결합된다.
하나의 예에 따라, 본 발명의 시스템은 타이어 압력을 모니터링하기 위한 센서를 포함하는 타이어-압력 모니터링 시스템이다. 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스는 전력을 제공하기 위해 센서에 결합된다. 그러한 시스템은 예를 들어, 자동차의 휠 또는 타이어 상에 장착된 소형 디바이스로서 형성될 수 있다.
다른 예에 따라, 본 발명의 시스템은 가정용 또는 산업용 빨래 건조기의 전자 제어부들과 통신하는 습도 센서이다. 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스는 전력을 제공하기 위해 센서에 결합된다. 그러한 시스템은 예를 들어, 빨래 건조기에서의 습도 레벨들에 기초하여 의류의 건조를 모니터링하기 위해 빨래 건조기 내부 상에 장착된 소형 디바이스로서 형성될 수 있다. 대안적으로, 디바이스는 빨래 건조기 내부 상에 장착되지 않고, 예를 들어 의류를 갖는 건조기에 넘겨질 수 있는 디바이스(예를 들어, 볼(ball))이다. 센서는 그 후 예를 들어 사이클의 마지막을 결정하기 위해 빨래 건조기의 전자 제어부들과 통신할 수 있다.
본 발명의 추가 측면은 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 본 발명의 시스템을 제공하는 단계; 압전 물질로부터 전기 에너지를 생성하기 위해 시스템에 이동 또는 진동을 가하는 단계; 및 장치에 전력을 제공하기 위해 압전 물질로부터의 전기 에너지를 장치에 전달하는 단계를 수반한다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스들은 다음의 설명에서 설명된 방법들에 따라 이루어질 수 있다. 일 실시예에 따라, 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법은 제 1 및 제 2 표면을 갖는 실리콘 웨이퍼를 제공하는 단계; 실리콘 웨이퍼의 제 1 표면 상에 제 1 실리콘 이산화물(SiO2) 층을 증착하는 단계; 제 1 실리콘 이산화물 층 상에 캔틸레버 물질을 증착하는 단계; 캔틸레버 물질 상에 제 2 실리콘 이산화물 층을 증착하는 단계; 제 2 실리콘 이산화물 층 상에 압전 스택 층을 증착하는 단계; 압전 스택 층을 패터닝하는 단계; 제 2 실리콘 이산화물 층, 캔틸레버 물질 및 제 1 실리콘 이산화물 층을 패터닝하는 단계; 및 에너지 하베스터 디바이스를 생성하기 위해 실리콘 웨이퍼의 제 2 표면을 에칭하는 단계를 수반한다.
일 실시예에 따라, 이 방법은 패터닝된 압전 스택 층 및 패터닝된 제 2 실리콘 이산화물 층, 캔틸레버 물질, 및 제 1 실리콘 이산화물 층에 걸쳐 제 3 실리콘 이산화물 층을 증착하는 단계, 및 제 3 실리콘 이산화물 층을 패터닝하는 단계를 추가로 수반할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 본 발명의 방법은 패터닝된 제 3 실리콘 이산화물 층에 걸쳐 금속 본드패드 층을 증착하는 단계, 및 금속 본드패드 층을 패터닝하는 단계를 추가로 수반할 수 있다.
이제 도 17을 참조하면, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법의 일 실시예는 본 명세서에 기재된 에너지 하베스터 디바이스를 형성하도록 패터닝되는 계층형 물질들의 스택인 계층형 물질 스택(50)을 형성하는 단계를 수반한다. 계층형 물질 스택(50)은 다음의 계층형 물질들을 포함한다: 실리콘 웨이퍼(52)(제 1 표면(51) 및 제 2 표면(53)을 갖는), 제 1 실리콘 이산화물 층(54), 캔틸레버 물질(56), 제 2 실리콘 이산화물 층(58), 접착 층(60)(선택적인), 및 압전 스택 층(61)(제 1 금속 층(62), 압전 물질 층(64), 및 제 2 금속 층(66)을 포함).
도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 형성하는 방법은 제 1 표면(51) 및 제 2 표면(53)을 갖는 실리콘 웨이퍼(52)를 제공함으로써 계층형 물질 스택(50)을 형성하는 단계와, 실리콘 웨이퍼(52)의 제 1 표면(51) 상에 제 1 실리콘 이산화물 층(54)을 증착하는 단계, 제 1 실리콘 이산화물 층(54) 상에 캔틸레버 물질(56)을 증착하는 단계, 캔틸레버 물질(56) 상에 제 2 실리콘 이산화물 층(58)을 증착하는 단계, 제 2 실리콘 이산화물 층(58) 상에 선택적인 접착 층(60)을 증착하는 단계, 및 제 2 실리콘 이산화물 층(58) 상에 압전 스택 층(61)을 증착하는 단계를 수반한다.
실리콘 웨이퍼(52)는 일 실시예에 따라, 단결정 양면 연마된 실리콘 웨이퍼이다. 일 실시예에서, 실리콘 웨이퍼(52)는 약 400 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 900㎛, 약 600 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 또는 약 700 ㎛의 두께를 갖는다. 하나의 특정 예에서, 실리콘 웨이퍼(52)는 대략 725 ㎛(+/- 15 ㎛)의 두께(즉, 200mm 웨이퍼들에 대해 표준 두께)의 두께를 갖는 양면 연마된 실리콘 웨이퍼이다. 대안적으로, 실리콘 웨이퍼(52) 대신에, 본 발명의 방법은, 계층형 물질 스택(50)의 후속 층들이 그 위에 형성되는 실리콘 이산화물의 증착된 층에서 시작할 수 있다.
제 1 실리콘 이산화물 층(54)은 일 실시예에 따라 열 산화물 층이다. 실리콘 이산화물 층(54)은, 캔틸레버 물질(56)을 해제하고 질량이 실리콘으로 만들어질 때 또한 질량부를 한정하는 후면 에칭 멈춤부(backside etch stop)를 위한 에칭 멈춤부를 제공한다. 일 실시예에서, 제 1 실리콘 이산화물 층(54)은 약 0.25 ㎛ 내지 약 2 ㎛의 두께를 갖는다. 실리콘 웨이퍼(52) 상에 제 1 실리콘 이산화물 층(54)을 증착하는 것은 종래 기술에 알려진 방법들에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 이산화물은 열적으로 성장될 수 있고, 그런 후에 실리콘 웨이퍼 상에 증착될 수 있다. 하나의 특정 예에서, 열적으로 성장된 SiO2의 일(1) ㎛(+/- 0.05 ㎛)는 실리콘 이산화물 층(54)을 형성하기 위해 실리콘 웨이퍼(52) 상에 증착된다.
캔틸레버 물질(56)은 실리콘, 폴리Si, 금속(예를 들어, Cu 또는 Ni), 또는 다른 금속 산화물 반도체(CMOS) 호환 물질(compatible material), 또는 폴리이미드와 같은 고온 폴리머와 같은 임의의 적합한 물질일 수 있다. 일 실시예에서, 캔틸레버 물질(56)은 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 75 ㎛, 또는 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 두께 범위에서 화학 증기 증착에 의해 제 1 실리콘 이산화물 층(54) 상에 증착된다. 증착에 뒤이어, 예를 들어, 화학 기계 연마에 의해, 캔틸레버 물질(56)의 표면을 매끄럽게 하는 것이 바람직할 수 있다.
제 2 실리콘 이산화물 층(58)은 일 실시예에 따라, 고온 산화물 층이다. 이 층은, 압전 스택 층(61)이 그 위에 잘 접착할 수 있는 표면, 및 압전 스택 층(61)의 하부 전극을 패터닝하기 위한 에칭 멈춤부를 제공한다. 일 실시예에서, 제 2 실리콘 이산화물 층(58)은 약 1 ㎛의 두께에서 화학 증기 증착에 의해 캔틸레버 물질(56) 상에 증착된다.
압전 스택 층(61)은 금속/압전 물질/금속 층을 형성하기 위해 제 2 실리콘 이산화물 층(58) 상에 증착된다. 일 실시예에 따라, 압전 스택 층(61)은 두께에서 약 0.5 ㎛ 내지 약 6 ㎛, 또는 약 2 ㎛ 내지 약 5 ㎛의 두께를 갖는다. 제 1 금속 층(62) 및 제 2 금속 층(66)은 전극으로서 적절하게 기능하는 임의의 적합한 금속들로 형성될 수 있다. 일 실시예에 따라, 이들 층들은 몰리브덴 또는 백금과 같은 동일한 물질로 형성된다. 하지만, 양쪽 층들은 동일한 물질로 형성될 필요는 없다. 압전 물질 층(64)은 위에서 논의된 바와 같이, 임의의 적합한 압전 물질로 형성된다. 일 실시예에 따라, 이 층은 알루미늄 질화물(AIN)로 형성된다.
압전 스택 층(61)의 증착은 종래 기술에서 표준인 것과 같이 아래에 얇은 접착 층(60)으로 수행될 수 있다. 적합한 접착 층들(60)은 약 0.02 ㎛ 내지 약 0.05 ㎛의 층 두께에서 티타늄, AIN, Al:Cu, 또는 Al과 같은 물질들을 포함할 수 있다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 제작하는 방법의 일 실시예는 도 18- 25에 도시된 바와 같이 진행된다. 먼저, 도 18-19에 도시된 바와 같이, 압전 스택 층(61)이 패터닝된다. 특히, 압전 물질 층(64)의 부분들(예를 들어, 부분들(68 및 70)) 및 제 2 금속 층(66)은 제 1 금속 층(62)을 노출시키기 위해 스택(50)으로부터 제거된다.
본 발명의 방법에 따라 압전 스택 층(61)을 패터닝하는 단계는 금속 층들에 대한 인산과 테트라메틸아모늄히드록시드와의 습식 에칭과 조합된 리소그래피 기술을 이용하여 달성될 수 있다. 층들의 습식 또는 건식 에칭을 위한 다른 적합한 화학 물질들은 또한 당업자에 의해 공통적으로 사용되고, 본 발명의 방법을 수행하는데 있어서 사용될 수 있다.
일 실시예에 따라, 압전 스택 층(61)을 패터닝하는 단계는 제 2 금속 층(66) 및 압전 물질 층(64)의 부분들을 제거하는 단계와, 그 부분(예를 들어, 부분(72))을 제거하고 전극으로서 노출된 추가 부분을 남기기 위해 제 1 금속 층(62)을 패터닝하는 단계를 수반한다. 전극을 패터닝하는 단계는 염소 또는 플루오르 가스를 통한 인산 습식 에칭 또는 플라즈마(건식) 에칭을 이용하여 수행될 수 있다. 접착 층이 존재하는 경우, 접착 층은 습식 에칭에 기초한 암모니아 페록시드(예를 들어, 티타늄 접착 층에 대한)를 통해 제거될 수 있다.
다음으로, 제 2 실리콘 이산화물 층(58), 캔틸레버 물질(56), 및 제 1 실리콘 이산화물 층(54)이 패터닝된다. 이 방법 단계는 도 20에 도시된다. 일 실시예에 따라, 실리콘 이산화물 층(58), 캔틸레버 물질(56), 및 제 1 실리콘 이산화물 층(54)을 패터닝하는 단계는 노출된 실리콘 웨이퍼(52)의 제 1 표면(51)의 부분(78)을 남기기 위해 제 2 실리콘 이산화물 층(58)의 부분, 캔틸레버 물질(56)의 부분, 및 제 1 실리콘 이산화물 층(54)의 부분을 제거하는 단계를 수반한다.
제 2 실리콘 이산화물 층(58), 캔틸레버 물질(56), 및 제 1 실리콘 이산화물 층(54)을 패터닝하는 단계는 측벽들을 갖는 캔틸레버 물질 층을 형성하기 위해 제 2 실리콘 이산화물 층(58), 캔틸레버 물질(56), 및 제 1 실리콘 이산화물 층(54)의 대향하는 측벽들을 제거하는 단계를 추가로 수반할 수 있다.
일 실시예에 따라, 이 패터닝 단계는 건식 프로세스들을 통해 전체적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 플루오르 CHF3/CF4 가스 및 산화물에 대한 반응 이온 에칭과 폴리Si에 대한 SF6/C4F8 깊은 반응성 이온 에칭. Cu, Au, 또는 Ni과 같은 금속에 대해, 종래 기술에 잘 알려진 습식 에칭 프로세스가 사용될 수 있다. 대안적으로, Cu, Ni, 또는 Au는 실리콘 층들의 패터닝 이후에 전기 도금을 통해 첨가된다.
도 21에 도시된 추가 (선택적인) 방법 단계에서, 제 3 실리콘 이산화물 층(59)은 패터닝된 압전 스택 층(61) 및 패터닝된 제 2 실리콘 이산화물 층(58), 캔틸레버 물질(56), 및 제 1 실리콘 이산화물 층(54)에 걸쳐 증착된다. 일 실시예에 따라, 이 단계는 패시베이션(passivation) 층에 대한 실리콘을 증착하기 위해 실란(실리콘 소스)의 플라즈마-개선된 화학 증기 증착을 이용하여 수행된다. 이 층은 약 1 ㎛의 두께로 증착될 수 있다. 다른 실시예에 따라, 제 3 실리콘 이산화물 층을 증착하는 단계는 삭마에 대한 구조에 강성도를 제공하는 선택적인 단계이다.
도 22에 도시된 다음의 방법 단계에서, 존재시, 제 3 실리콘 이산화물 층(59)이 패터닝된다. 일 실시예에 따라, 이 단계는 압전 스택 층(61)의 부분들(68 및 69) 및 노출된 실리콘 웨이퍼의 부분(78)을 남기기 위해 제 3 실리콘 이산화물 층(59)의 부분을 제거하는 단계를 수반한다. 일 실시예에 따라, 이 패터닝은 CHF3 반응성 이온 에칭 프로세스를 이용하여 수행된다.
추가 (선택적인) 방법 단계는 패터닝된 제 3 실리콘 이산화물 층(59) 뿐 아니라 압전 스택 층(61)의 부분(68) 및 실리콘 웨이퍼(52)의 부분(78)에 걸쳐 증착된 금속 본드패드 층(80)을 도시한 도 23에 도시된다. 본드패드 층(80)은, 강력한 와이어 본드가 디바이스에 형성되도록 하는 표면을 제공하여, 양호한 전기적 연결을 보장한다. 일 실시예에 따라, 금속 본드패드 층(80)은 약 1 ㎛의 두께로 증착되고, 금속 물질(예를 들어, Al)이다. 이 층은 와이어 본드의 신뢰성을 개선하도록 증착된다.
도 24는 존재시 금속 본드패드 층(80)을 패터닝하는 단계를 수반하는 다음의 방법 단계를 도시한다. 일 실시예에 따라, 금속 본드패드 층(80)은 상부 및 하부 전극 연결들을 위한 개구부(opening)들보다 약간 더 오래 패터닝된다. 일 실시예에서, 금속 본드패드 층(80)의 패터닝은 인산에 기초한 습식 에칭 화학 물질을 이용하여 수행된다. 하지만, 다른 방법들이 또한 사용될 수 있다.
다음의 프로세스 단계는 도 25에 도시되고, 여기서 실리콘 웨이퍼(52)는 공진기 빔(12), 베이스(20), 질량부(22), 및 스토퍼(14)를 생성하기 위해 표면(53)에서 에칭되어, 본 발명의 에너지 수확 디바이스의 일 실시예를 생성한다. 즉, 실리콘 웨이퍼(52)의 부분들은 베이스(20)가 되는 실리콘 웨이퍼(52)의 부분과 질량부(22)가 된 실리콘 웨이퍼(52)의 부분 사이의 분리를 생성하기 위해 공진기 빔(12)이 된 것 아래에 공동(cavity)(82)을 생성하기 위해 에칭 제거(etched away)된다. 마찬가지로, 실리콘 웨이퍼(52)의 부분은 스토퍼(14)를 생성하기 위해 에칭 제거되고, 이것은 질량부(52)의 에지를 지나 연장하는 공진기 빔(12)이다. 일 실시예에 따라, 실리콘 웨이퍼(52)를 에칭하는 단계는 SF6/C4F8 화학 물질을 통한 깊은 반응성 이온 에칭 및 리소그래피 기술들을 이용하여 수행된다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 유연 스토퍼를 형성하는 단계는 다양한 방법들에 의해 수행될 수 있다. 다음은 유연 스토퍼를 어떻게 형성하는 지에 대한 비-제한적인 예들이다. 제 1 예에서, 도 11a-b에 도시된 유연 스토퍼는 도 26 및 도 27a-c에 도시된 바와 같이 형성된다. 도 26은 적소에 유연 스토퍼(14A)를 갖는 도 11a-b의 에너지 하베스터 디바이스(10)의 상부 부분의 측면도이다. 도 27a -c는 유연 스토퍼(14A)를 갖는 에너지 하베스터 디바이스(10)를 형성하기 위한 프로세스 단계들을 도시한다. 제 1 단계에서, 패키지(20)의 섹션(20B)은 패키지(20)를 형성하는데 적합한 물질로 형성된다. 예를 들어, 섹션(20B)은 약 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm, 0.6 mm, 0.7 mm, 0.8mm, 0.9 mm, 또는 약 1.0 mm의 두께를 갖는 유리 기판이다. 섹션(20B)은 도 27a에서의 측면도로 도시된 구조를 형성하기 위해 종래 기술에 알려진 기술들(예를 들어, 샌드 블래스팅(sand blasting), 레이저 절단, 습식 에칭, CNC 가공 등)에 의해 패터닝되고 에칭된다. 이러한 동일한 프로세스는 패키지(20)의 섹션(20A)을 형성하도록 반복되고, 이러한 섹션은 섹션(20B)과 동일하거나 상이한 물질로 형성될 수 있고, 섹션(20B)과 동일하거나 상이한 두께를 가질 수 있다. 일 실시예에 따라, 섹션(20A)은 섹션(20B)보다 약간 더 큰 두께, 예를 들어, 약 0.05 mm 더 큰, 0.1 mm 더 큰, 0.15 mm 더 큰, 또는 약 0.2 mm 더 큰 두께를 갖는다.
이제 도 27b를 다시 참조하면, 제 3 기판(기판 1)이 제공되고, 이 제 3 기판은 섹션(20A) 및 섹션(20B)과 동일한 물질이거나 아닐 수 있고, 약 0.01 mm, 0.02 mm, 0.03 mm, 0.04 mm, 0.05 mm, 0.06 mm, 0.07 mm, 0.08 mm, 0.09 mm, 0.10 mm, 0.11 mm, 0.12 mm, 0.13 mm, 0.14 mm, 0.15 mm, 0.16 mm, 0.17 mm, 0.18 mm, 0.19 mm, 또는 약 0.2 mm 두께를 갖는다. 기판 1은 유연 스토퍼(14A)를 형성하기 위해 종래 기술에 알려진 기술들에 따라 패터닝되고 에칭된다.
도 27c에 도시된 바와 같이, 제 4 기판(패키지(20)의 섹션(20C))이 또한 제공되고, 이 제 4 기판은 섹션(20A)과 동일한 물질로 형성되거나 형성되지 않을 수 있고, 일 실시예에 따라, 섹션(20A)의 두께와 거의 동일한 두께를 갖는다.
섹션들(20A 및 20B)(도 27a), 유연 스토퍼(14A)(도 27b), 및 섹션(20C)(도 27c)은 도 26에 도시된 유연 스토퍼를 갖는 패키지인 본딩된 스택을 형성하기 위해 종래 기술에 알려진 방법들(예를 들어, 레이저 재결정화, 프릿 본딩(frit bonding))을 이용하여 정렬되고 함께 본딩된다.
제 2 예에서, 도 15에 도시된 유연 스토퍼는 도 28 및 도 29a-c에 도시된 바와 같이 형성된다. 도 28은 적소에 유연 스토퍼(14A)를 갖는 도 15의 에너지 하베스터 디바이스(10)의 상부 부분의 측면도이다. 도 19a-c는 유연 스토퍼(14A)를 갖는 에너지 하베스터 디바이스(10)를 형성하기 위한 프로세스 단계들을 도시한다. 제 1 단계에서, 섹션(20D)은 패키지(20)를 형성하는데 적합한 물질로 형성된다. 예를 들어, 섹션(20D)은 약 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm, 0.6 mm, 0.7 mm, 0.8 mm, 0.9 mm, 1.0 mm, 1.1 mm, 1.2 mm, 1.3 mm, 1.4 mm, 1.5 mm, 1.6 mm, 1.7 mm, 1.8 mm, 1.9 mm, 또는 약 2.0 mm의 두께를 갖는 유리 기판이다. 섹션(20D)은 섹션(20E)으로서 도 29a에 언급된 기판(예를 들어, 실리콘)에 본딩된다. 섹션(20E)은 약 50 미크론, 100 미크론, 150 미크론, 200 미크론, 250 미크론, 300 미크론, 350 미크론, 400 미크론, 450 미크론, 500 미크론, 또는 약 550 미크론의 두께를 가질 수 있다.
도 29b에 도시된 바와 같이, 섹션(20E)은 하나의 특정 실시예에 따라, 3:1 높이:폭의 종횡비를 갖는 유연 스토퍼(14A)를 형성하기 위해 패터닝되고 에칭된다.
도 29c에서 섹션(20F)으로 언급된 다른 기판(예를 들어, 실리콘)이 제공된다. 섹션(20F)은 약 600 미크론, 625 미크론, 650 미크론, 675 미크론, 700 미크론, 725 미크론, 750 미크론, 775 미크론, 800 미크론, 825 미크론, 또는 약 850 미크론의 두께를 가질 수 있다. 섹션(20F)은 패터닝되고 에칭된다. 섹션(20F)은 종래 기술에 알려진 기술들을 이용하여 섹션들(20E 및 20D)에 본딩된다. 예를 들어, 그러한 본딩은 기밀 밀봉(hermetic seal)으로 인한 유리 프릿 본딩, 또는 접착 본딩을 이용하여 수행될 수 있다. 유연 스토퍼를 포함하는 패키지는 도 28에 도시된 바와 같이 형성된다.
예들
다음의 예들은 본 발명의 실시예들을 예시하도록 제공되지만, 그 범주를 제한하도록 의도되지 않는다.
예 1 - 유연 스토퍼를 갖는 패킹된 에너지 하베스터 디바이스
MEMS 에너지 하베스터는 하베스터의 폭을 따라 현가된 강성의 1 mm 직경의 스테인리스 스틸 로드 스토퍼를 갖는 패키지내 배치되고, 하베스터 질량부와 접촉하도록 정렬되었다. 에너지 하베스터는 300 G의 피크 가속도로 임펄스를 받아, 중립 위치로부터 0.5 mm로 팁을 편향시킨다. 하베스터가 스테인리스 스틸 스토퍼와 접촉할 때, 하베스터는 파손된다.
유사한 MEMS 에너지 하베스터는 폴리올레핀의 0.3 mm 두께의 층으로 코팅된 1 mm 직경의 스테인리스 스틸 로드 스토퍼를 갖는 패키지내 배치되고, 하베스터의 폭을 따라 현가되고, 하베스터 질량부와 접촉하도록 정렬된다. 에너지 하베스터는 300 G의 피크 가속도를 갖는 임펄스를 받아, 중립 위치로부터 0.5 mm로 팁을 편향시킨다. 하베스터가 폴리머 코팅된 스테인리스 스틸 스토퍼와 접촉할 때, 하베스터는 파손되지 않는다.
본 명세서(임의의 첨부된 청구항들, 요약 및 도면들을 포함)에 기재된 모든 특징들, 및/또는 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 모든 단계들은, 그러한 특징들 및/또는 단계들의 적어도 일부가 상호 배타적인 조합들을 제외하고, 임의의 조합에서 임의의 상기 양상들과 조합될 수 있다.
다양한 실시예들이 본 명세서에서 구체적으로 도시되고 기재되었지만, 다양한 변형들, 추가들, 치환들 등이 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고도 이루어질 수 있고, 그러므로 이들이 다음의 청구항들에 한정된 바와 같이 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 고려된다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.
Claims (38)
- 에너지 하베스터(harvestr) 디바이스로서,
압전 물질을 포함하는 세장형(elongate) 공진기 빔으로서, 상기 공진기 빔은 제 1 및 제 2 단부들 사이에서 연장되는, 상기 공진기 빔;
상기 제 1 단부에서 상기 공진기 빔에 연결된 베이스로서, 상기 제 2 단부는 캔틸레버(cantilever)로서 상기 베이스로부터 구속받지 않고 연장되는, 베이스;
상기 공진기 빔의 상기 제 2 단부에 부착된 질량부(mass);
상기 공진기 빔의 상기 제 2 단부의 적어도 일부분을 둘러싸는 패키지; 및
상기 패키지에 연결된 유연 스토퍼(compliant stopper)로서, 상기 스토퍼는 상기 캔틸레버의 움직임을 안정화하도록 구성되어 파손을 방지하는, 유연 스토퍼를 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스. - 청구항 1에 있어서, 상기 유연 스토퍼는 상기 패키지의 내부 벽 상에 형성되는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 청구항 2에 있어서, 상기 유연 스토퍼는 상기 패키지의 대향하는 내부 벽들 상에 형성되는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패키지는 상기 베이스를 갖는 단일 구조로 형성되는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유연 스토퍼는 유리, 금속, 실리콘, 포토레지스트, 폴리이미드, SiO2, 다른 상보 금속-산화물-반도체 호환 물질(compatible material)들, 고무들, 및 다른 폴리머들, 세라믹들, 폼들(foams), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 구성되는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진기 빔은 복수의 층들로 형성된 라미네이트를 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 청구항 6에 있어서, 상기 복수의 층들은 적어도 2개의 상이한 물질들을 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 물질과 전기적 접촉하는 하나 이상의 전극들을 더 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스. - 청구항 8에 있어서, 상기 하나 이상의 전극들은 몰리브덴 및 백금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 청구항 8 또는 9에 있어서,
상기 압전 물질로부터 전기 에너지를 수확하기 위해 상기 하나 이상의 전극들과 전기적 접촉하는 전기 수확 회로(electrical harvesting circuitry)를 더 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스. - 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 물질은 알루미늄 질화물, 아연 산화물, PVDF 및 리드 지르코네이트 티티네이트(lead zirconate titinate) 화합물들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유연 스토퍼는 토크 중립 위치(torque neutral position)에서 상기 캔틸레버와 접촉하도록 구성되는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 시스템으로서,
전기 동력(electrically powered) 장치 및
상기 장치에 전기적으로 결합된 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 따른 디바이스를 포함하는, 시스템. - 청구항 13에 있어서, 상기 전기 동력 장치는 랩탑 컴퓨터; 태블릿 컴퓨터; 셀 폰; 스마트 폰; e-리더기; MP3 플레이어; 전화 헤드셋; 헤드폰들; 라우터; 게이밍 디바이스; 게임 제어기; 모바일 인터넷 어댑터; 카메라; 무선 센서들; 태블릿들, PC들, 및/또는 스마트폰들과 통신하는 웨어러블 센서들; 무선 센서 모트틀(산업, 레일, 빌딩들, 농업 등을 모니터링하는 네트워크들을 위한); 타이어 압력 센서 모니터들; 전력 툴들 상의 전력 공급의 간단한 디스플레이들; 가축을 모니터링하기 위한 농업 디바이스들; 의료용 디바이스들; 신체 모니터링 디바이스들; 및 완구들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 시스템.
- 청구항 13 또는 14에 있어서, 상기 유연 스토퍼는 상기 패키지의 내부 벽 상에 형성되는, 시스템.
- 청구항 15에 있어서, 상기 유연 스토퍼는 상기 패키지의 대향하는 내부 벽들 상에 형성되는, 시스템.
- 청구항 13 내지 16 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패키지는 상기 베이스를 갖는 단일 구조로 형성되는, 시스템.
- 청구항 13 내지 17 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스토퍼는 유리, 금속, 실리콘, 포토레지스트, 폴리이미드, SiO2, 다른 상보 금속-산화물-반도체 호환 물질들, 고무들, 및 다른 폴리머들, 세라믹들, 폼들, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 구성되는, 시스템.
- 청구항 13 내지 18 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진기 빔은 복수의 층들로 형성된 라미네이트를 포함하는, 시스템.
- 청구항 19에 있어서, 상기 복수의 층들은 적어도 2개의 상이한 물질들을 포함하는, 시스템.
- 청구항 13 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 물질과 전기적 접촉하는 하나 이상의 전극들을 더 포함하는, 시스템. - 청구항 21에 있어서, 상기 하나 이상의 전극들은 몰리브덴 및 백금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는, 시스템.
- 청구항 21 또는 22에 있어서,
상기 압전 물질로부터 전기 에너지를 수확하기 위해 상기 하나 이상의 전극들과 전기적 접촉하는 전기 수확 회로를 더 포함하는, 시스템. - 청구항 13 내지 23 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 물질은 알루미늄 질화물, 아연 산화물, PVDF 및 리드 지르코네이트 티티네이트 화합물들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 시스템.
- 청구항 13 내지 24 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유연 스토퍼는 토크 중립 위치에서 상기 캔틸레버와 접촉하도록 구성되는, 시스템.
- 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법으로서,
청구항 13 내지 25 중 어느 한 항에 따른 시스템을 제공하는 단계;
상기 압전 물질로부터 전기 에너지를 생성하기 위해 상기 시스템에 움직임 또는 진동들을 가하는 단계; 및
상기 장치에 전력을 제공하기 위해 상기 압전 물질로부터의 상기 전기 에너지를 상기 장치에 전달하는 단계를 포함하는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법. - 청구항 26에 있어서, 상기 장치는 랩탑 컴퓨터; 태블릿 컴퓨터; 셀 폰; 스마트 폰; e-리더기; MP3 플레이어; 전화 헤드셋; 헤드폰들; 라우터; 게이밍 디바이스; 게임 제어기; 모바일 인터넷 어댑터; 카메라; 무선 센서들; 태블릿들, PC들, 및/또는 스마트폰들과 통신하는 웨어러블 센서들; 무선 센서 모트틀(산업, 레일, 빌딩들, 농업 등을 모니터링하는 네트워크들을 위한); 타이어 압력 센서 모니터들; 전력 툴들 상의 전력 공급의 간단한 디스플레이들; 가축을 모니터링하기 위한 농업 디바이스들; 의료용 디바이스들; 신체 모니터링 디바이스들; 및 완구들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법.
- 청구항 26 또는 27에 있어서, 상기 유연 스토퍼는 상기 패키지의 내부 벽 상에 형성되는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법.
- 청구항 26 내지 28 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유연 스토퍼는 상기 패키지의 대향하는 내부 벽들 상에 형성되는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법.
- 청구항 26 내지 29 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패키지는 상기 베이스를 갖는 단일 구조로 형성되는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법.
- 청구항 26 내지 30 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유연 스토퍼는 유리, 금속, 실리콘, 포토레지스트, 폴리이미드, SiO2, 다른 상보 금속-산화물-반도체 호환 물질들, 고무들, 및 다른 폴리머들, 세라믹들, 폼들, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 구성되는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법.
- 청구항 26 내지 31 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진기 빔은 복수의 층들로 형성된 라미네이트를 포함하는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법.
- 청구항 32에 있어서, 상기 복수의 층들은 적어도 2개의 상이한 물질들을 포함하는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법.
- 청구항 26 내지 33 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은
상기 압전 물질과 전기적 접촉하는 하나 이상의 전극들을 더 포함하는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법. - 청구항 34에 있어서, 상기 하나 이상의 전극들은 몰리브덴 및 백금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법.
- 청구항 34 또는 35에 있어서, 상기 시스템은
상기 압전 물질로부터 전기 에너지를 수확하기 위해 상기 하나 이상의 전극들과 전기적 접촉하는 전기 수확 회로를 더 포함하는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법. - 청구항 26 내지 36 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 물질은 알루미늄 질화물, 아연 산화물, PVDF 및 리드 지르코네이트 티티네이트 화합물들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법.
- 청구항 26 내지 37 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유연 스토퍼는 토크 중립 위치에서 상기 캔틸레버와 접촉하도록 구성되는, 전기 동력 장치에 전력 공급하는 방법.
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