專利名稱：具有微靜電換能器的熱電發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種功率的生成，更具體地，涉及一種自給自足的電源， 包括熱電的能量轉(zhuǎn)換和靜電或機(jī)械的能量轉(zhuǎn)換的組合，并且它還具體地用于 產(chǎn)生電能，比如可以被用于微電子器件和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微電子器件不斷向微型化發(fā)展的趨勢迫使要開發(fā)微型化的電源。電池和 太陽能電池是用于微電子器件的傳統(tǒng)電源。然而，通過長時間地消耗電池而 提供的功率需要周期性地更換電池。太陽能電池雖然具有有效地?zé)o限采用壽 命，但只能提供暫時的能源，因為太陽或其他光源不能總是可得到的。此外， 太陽能電池還需要周期性地清潔表面，以便維護(hù)其能量轉(zhuǎn)換的效率。
熱電發(fā)生器是一種自給自足的能源，它根據(jù)塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)換成電能，塞貝克效應(yīng)是這樣一種現(xiàn)象，即熱差值可以轉(zhuǎn)換成電，主要是由于電荷 載流子在導(dǎo)體中擴(kuò)散。在塞貝克效應(yīng)作下，電能可以通過利用熱電偶產(chǎn)生，
每個熱電偶包含一對一端連接的不同類金屬(n型和p型)。n型和p型分別是 指材料內(nèi)部的負(fù)的和正的電荷載流子。
存在于熱電偶兩端的溫度梯度可以人工地施加，或者也可以自然發(fā)生， 如廢熱或散逸熱不斷地通過人體排出。在一塊手表中，其一面在環(huán)境溫度下 暴露于空氣中，同時相對的一面暴露于戴表者皮膚的更高溫度下。因此，在 該手表的厚度上即會呈現(xiàn)典型的小的溫度梯度。熱電發(fā)生器可以結(jié)合到該手 表中，作為一個自容式單元，以利用散逸熱或廢熱，并產(chǎn)生足夠運行該手表 的供電功率。有利的是，許多微電子器件在大小上都相似于一塊典型的手表， 它只需要很少量的功率，因此可以通過熱電發(fā)生器兼容供電。
另外一種能夠從環(huán)境或周圍的能量中生成功率的自給自足的能源是基于 振動的裝置。新近的研究涉及到一些方法，用于開發(fā)基于振動的能源，在將 可變電容器用在靜電微功率發(fā)生器方面產(chǎn)生了有效的進(jìn)展。由于振動源是普 遍存在的，它可以很輕易地從許多地方得到，比如汽車引擎、微波爐和鄰近 擁擠車道的辦公室窗口等。存在許多機(jī)會可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，來驅(qū)動 微電子器件和系統(tǒng)。
與通常只能暫時得到的太陽能相比，振動源和熱梯度通?？梢詮母嗟?方得到。振動能可以基于如下原理轉(zhuǎn)換成電能。例如，電磁轉(zhuǎn)換器對在磁場 和線圈之間的相對移動進(jìn)4亍響應(yīng)時產(chǎn)生電流。壓電轉(zhuǎn)換器在對施加的才幾械應(yīng) 力進(jìn)行響應(yīng)時產(chǎn)生電能，例如，壓電元件的輕微變形的結(jié)果。更具體地，一 壓電轉(zhuǎn)換器典型情況下包含一種電介質(zhì)材料，對作用于其上的機(jī)械應(yīng)變進(jìn)行 響應(yīng)，產(chǎn)生電壓的電介質(zhì)材料的兩端產(chǎn)生電荷分離。
靜電轉(zhuǎn)換器可以由一可變電容器構(gòu)成，用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，通過 做相對于電場的機(jī)械運動，其中的電場形成在包含該可變電容器的一對極板 之間。更具體地，在靜電轉(zhuǎn)換器中，該極板(即，導(dǎo)體)是通過電介質(zhì)分離的，彼此相對移動，以響應(yīng)作用于一個極板的振動。該運動，作為作用于兩個極 板之間的電場的振動的結(jié)果，其改變了儲存在該電容器內(nèi)部的能量。在此方 式下，靜電轉(zhuǎn)換器能夠用于將振動能轉(zhuǎn)換成電能。
在比較了這三種機(jī)械能/電能轉(zhuǎn)換裝置(即，電磁的、壓電的和靜電的)之 后，靜電轉(zhuǎn)換器提供了很多優(yōu)點。例如，許多微電子器件的不斷微型化在某
種程度上是得益于《敬電機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) 的進(jìn)步。制造利用MEMS技術(shù)的靜電轉(zhuǎn)換器的能力有利于將靜電轉(zhuǎn)換器集成 到許多電子微系統(tǒng)中，并且還整體上減小了由靜電轉(zhuǎn)換器驅(qū)動的電子器件的 大小。
另外，與需要特殊壓電材料的壓電發(fā)生器不同，靜電轉(zhuǎn)換器通常都是由 簡單材料構(gòu)成。相比于電》茲發(fā)生器，靜電轉(zhuǎn)換器還具有的優(yōu)點是通過靜電轉(zhuǎn) 換器可以產(chǎn)生相對高的輸出電壓。相對而言，電磁轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生相對低的電壓， 以使所產(chǎn)生的功率不易于被許多電子器件采用。
重要的是，靜電轉(zhuǎn)換器具有一種優(yōu)于電磁和壓電發(fā)生器的附加優(yōu)點，即 只有該靜電轉(zhuǎn)換器才可以用在高溫環(huán)境或產(chǎn)生熱量的環(huán)境下。很遺憾地是， 靜電轉(zhuǎn)換器具有一種未在其他前述機(jī)械能轉(zhuǎn)換器中發(fā)現(xiàn)的缺點。更具體地， 靜電轉(zhuǎn)換器通常需要一具有足夠高電壓的初始激活能量，以便啟動將機(jī)械能 (即，振動)轉(zhuǎn)換成電能的過程。必須為靜電轉(zhuǎn)換器提供一單獨的電壓源，從 而可以提供真正自給自足的電源，該電源能夠利用振動能作為可再生能量切 實可行的來源。
在上述微電子微型化的開發(fā)方面，需要一種技術(shù)用于使電源能夠為微電 子器件或系統(tǒng)提供本質(zhì)上連續(xù)的供電，以便去除對可耗盡元件如電池的周期 性的更換。更具體地，需要一種技術(shù)用于使靜電轉(zhuǎn)換器能夠通過將振動能從 環(huán)境中清除而生成穩(wěn)定有效的電源，其中靜電轉(zhuǎn)換器可以通過可再生且可自 給自足的熱電電源進(jìn)行自我激活。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明具體通過提供一種電源闡述并緩解了對上述具有微電子器件電源 的相關(guān)需求，滿足了靜電轉(zhuǎn)換器對單獨電壓源的需求，以便啟動從機(jī)械(即， 振動)能到電能的轉(zhuǎn)換。此外，本發(fā)明提供了一種裝置，用于改進(jìn)能量收集 裝置的總體功率輸出，從而能夠開發(fā)已知的環(huán)境能源，比如溫度梯度和振動 能。
以最廣泛的常識，本發(fā)明通過適當(dāng)?shù)碾娮与娐穼犭姲l(fā)生器與靜電轉(zhuǎn)換 器相結(jié)合，以便提供足可支撐的電源，比如可以用于微電子器件。熱電發(fā)生 器較佳地被設(shè)置為與一熱源和一吸熱設(shè)備相鄰，并具體地用于將熱能轉(zhuǎn)換成 電能，以便產(chǎn)生具有足夠高電壓的電激活能量。電子電路可以包括一初始能 量管理組件，連接于并用于接收和調(diào)整由熱電發(fā)生器產(chǎn)生的電激活能量。
在電激活能量的條件下，初始能量管理組件將電激活能量傳遞給靜電轉(zhuǎn) 換器，以啟動其運行過程，以使靜電轉(zhuǎn)換器可以隨后將作用于其上的振動能 轉(zhuǎn)換為電能?？梢赃M(jìn)一步包括一最終能量管理組件，可以連接于靜電轉(zhuǎn)換器， 以便在傳送功率給接收設(shè)備之前調(diào)整由靜電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電能。
下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明一實施例所構(gòu)造的電源的示意圖，其可以包括一熱
電發(fā)生器、 一初始能量管理組件、 一靜電轉(zhuǎn)換器和一最終能量管理組件；
圖2表示一替代實施例中的電源的示意圖，其中初始能量管理組件和最
終能量管理組件被集成為一單一的裝置或結(jié)構(gòu)；
圖3表示一進(jìn)一步實施例中的電源的示意圖，其中熱電發(fā)生器和靜電轉(zhuǎn)
換器被集成為一單一的裝置或結(jié)構(gòu)；
圖4表示將熱電發(fā)生器和靜電轉(zhuǎn)換器集成設(shè)置的電源的示意圖，類似于 圖3所示，但其中的熱電發(fā)生器被設(shè)置為圓盤形或環(huán)形，其中包含靜電轉(zhuǎn)換器；
圖5為平面內(nèi)(in-plane)熱電發(fā)生器的立體圖，表示設(shè)置于基片上的p 型和n型熱電管腳的基本結(jié)構(gòu)；
圖6表示交又平面(cross-plane)熱電發(fā)生器的立體圖，可以與靜電轉(zhuǎn)換 器組合利用。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照附圖，用于表示本發(fā)明的最佳實施例而不用于調(diào)整本發(fā)明。如 圖1所示，為具體用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的電源10的示意圖。有利的是， 本發(fā)明的電源IO用于產(chǎn)生相對穩(wěn)定和連續(xù)的電能供電，足夠微電子器件和傳 感器系統(tǒng)所需的功率。
在最廣泛的常識中，該電源10包括一熱電發(fā)生器12, —初始能量管理組 件44, 一靜電轉(zhuǎn)換器14和一最終能量管理組件46。熱電發(fā)生器12用于產(chǎn)生 響應(yīng)作用于熱電發(fā)生器12兩端的溫度梯度而產(chǎn)生的足夠高電壓的電激活能 量；初始能量管理組件44連接于熱電發(fā)生器12，用于從此處接收電激活能量 并調(diào)整該電激活能量，以使該電激活能量可以被提供給靜電轉(zhuǎn)換器14，以便 啟動機(jī)械-電能量轉(zhuǎn)換過程。
靜電轉(zhuǎn)換器14連接于初始能量管理組件44，由從初始能量管理組件44 接收到的電激活能量激活。然后，靜電轉(zhuǎn)換器14響應(yīng)作用于其上的振動能， 以能夠生成電能。最終能量管理組件46連接于靜電轉(zhuǎn)換器14，用于調(diào)整由此 產(chǎn)生的電能，用于被任何數(shù)量的電子器件62采用，比如微電子器件和傳感器 系統(tǒng)。
有利的是，只有本發(fā)明的電源IO才適用于易于從相對地小的溫度梯度提 取熱能的環(huán)境中。另外，該電源IO用于采用在易于以振動形成提取機(jī)械能轉(zhuǎn) 換為電能的環(huán)境中。這種熱能可以以多種形式得到，比如由人體產(chǎn)生的散逸 熱，或由微波或氣體馬達(dá)或電馬達(dá)產(chǎn)生的廢熱，較佳地，也可以為操作時產(chǎn) 生的振動。因此只有該電源10才適合于從一種單一環(huán)境來源中獲取熱和機(jī)械
10能，比如電馬達(dá)，以便為不同的電子器件62提供一種自給自足并且穩(wěn)定的電
源，用于在無法或不可能利用有線電源或電池來驅(qū)動這些器件的情況。
如圖1所示，顯示該電源10，其中熱電發(fā)生器12可以被設(shè)置為平面內(nèi)熱
電發(fā)生器12的結(jié)構(gòu)，類似于美國專利號為6,958,443，名稱為"小功率熱電
發(fā)生器"，由斯塔克(Stark)等申請的專利中顯示和描述的內(nèi)容，其全部內(nèi)容
均清楚地結(jié)合于此，用于參考。本發(fā)明中采用的另外一種平面內(nèi)熱電發(fā)生器
12可以類似于如下文獻(xiàn)公開的內(nèi)容，美國專利申請?zhí)枮?1/352, 113，提交日
為2006年2月10日，名稱為"小功率熱電發(fā)生器"，斯塔克等申請，其全
部內(nèi)容也清楚地結(jié)合于此，作為參考。
此外，熱電發(fā)生器12可以碎皮設(shè)置為交叉平面結(jié)構(gòu)，其中n型和p型熱電 管腳38、 40在一基片上形成為方格盤排列，如圖6所示，其具體細(xì)節(jié)如下所 述。較佳地，這種交叉平面熱電發(fā)生器12用于提供相對高電壓電平的能量。 通常，熱電發(fā)生器12被設(shè)置為任何適當(dāng)?shù)臒崮苻D(zhuǎn)換裝置，能夠產(chǎn)生具有足夠 高電壓的電激活能量，用于在靜電發(fā)生器14中開始靜電能量轉(zhuǎn)換過程。
正如圖5中所看到的，平面內(nèi)熱電發(fā)生器12結(jié)構(gòu)通?？梢园辽僖粋€ 基片30和一對相分隔的熱偶極板26,用于熱連接到熱源22和吸熱設(shè)備24。 基片30較佳地朝向相對于熱偶極板26垂直的方向，并與其熱連通。基片30 可以具有相對的前后基片表面，其上可以放置多個熱電偶42，包括延長交錯 的n型和p型熱電管腳38、 40,彼此相分隔平行排列設(shè)置。
每個n型和p型熱電管腳38、 40中可以由熱電材津牛形成。每個p型熱電 管腳40,電連接于在所述p型熱電管腳40的兩端的相鄰的一個所述n型熱電 管腳38，以使該組n型和p型熱電管腳38、 40電性串聯(lián)，并且熱性并聯(lián)。從 頂端熱偶極板至底端熱偶極板的熱梯度引起橫跨n型和p型熱電管腳38、 40 的熱流動，v^人而導(dǎo)致電能的產(chǎn)生。頂端熱偶招jf反26熱連4妄于熱源22,并且其 底端熱偶極板26熱連接于吸熱設(shè)備24。
平面內(nèi)熱電發(fā)生器12的一種設(shè)置可以包含多個箔片段28,電性串聯(lián)且熱性并聯(lián)，并且可以被插入其頂端熱偶極板26和其底端熱偶極板26之間。箔 片段28可以朝向相分隔排列的平行方向，比如上述提到的公開在美國專利號 6,958,443中的內(nèi)容?？蛇x地，箔片段28可以被螺旋纏繞，類似于美國專利 申請?zhí)枮?1/352， 113的專利中所顯示和公開的內(nèi)容。
不管采用哪種設(shè)置，箔片段28均為電性串聯(lián)，每個箔片段28均包括一 設(shè)置有多個熱電偶42的基片30，并且包括交錯的n型和p型熱電管腳38、 40,彼此相分隔平行設(shè)置于其上。組成熱電偶42的p型和n型熱電管腳40、 38采用金屬橋34連接，而金屬接觸物36連接相鄰的箔片段28和n型及p型 熱電管腳38、 40，如圖5所示。這種金屬橋34和金屬接觸物36可以被放置 在基片30上，與p型和n型熱電管腳40、 38的沉積相組合，以便形成薄膜 熱電結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成平面內(nèi)熱電發(fā)生器12的結(jié)構(gòu)。
每個n型和p型熱電管腳38、 40中可以較佳地由適當(dāng)?shù)臒犭姴牧闲纬伞?平面內(nèi)熱電發(fā)生器12典型情況下用于通過采用熱電管腳38、 40兩端的小溫 度差值將熱能轉(zhuǎn)換成電能。這種電能的特性典型地是低功率輸出，但有相對 高電壓。平面內(nèi)熱電發(fā)生器12可以通過各種技術(shù)包括薄膜技術(shù)等進(jìn)行制造。 盡管他們有相對低的功率輸出，但平面內(nèi)熱電發(fā)生器12可用于為某些電子器 件62供電，并為初始能量管理組件44供電，以及激活某些其他裝置，比如 本發(fā)明中的靜電轉(zhuǎn)換器14。
應(yīng)該注意的是，平面內(nèi)熱電發(fā)生器12可以采用MEMS硅基技術(shù)制造，比 如描述在如下文獻(xiàn)中第246-250頁的內(nèi)容，名稱為"用于能源供應(yīng)的熱電轉(zhuǎn) 換器"，，再版出版名稱為"傳感器和激勵器"，編號為74 (1999)，由H.格 洛施(Glosch)等發(fā)表，其全部內(nèi)容結(jié)合于此，作為參考。另外，平面內(nèi)熱電 發(fā)生器12可以采用硅技術(shù)制造，比如描述在如下文獻(xiàn)內(nèi)容中，名稱為"基于 多晶硅和多晶硅鍺表面微加工的微型化熱電發(fā)生器，，，由英飛凌技術(shù)A.G,無
線電產(chǎn)品，微系統(tǒng)和慕尼黑科技大學(xué)，電工物理學(xué)學(xué)會的M .斯塔斯?fàn)?(Strasser)等發(fā)表，其全部內(nèi)容結(jié)合于此，作為參考。對用于制造平面內(nèi)熱電發(fā)生器12的硅基技術(shù)的進(jìn)一步描述在如下文獻(xiàn)內(nèi) 容中，名稱為"互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)低功率熱電發(fā)生器的分析"，由英飛凌技術(shù)和慕尼黑 科技大學(xué)的M .斯塔斯?fàn)?Strasser)等發(fā)表，其全部內(nèi)容結(jié)合于此，作為參考。 平面內(nèi)熱電發(fā)生器12可以進(jìn)一步采用電鍍技術(shù)制造，類似于如下文獻(xiàn)第 146-152頁的內(nèi)容，名稱為"在柔性箔基片上微制造熱電發(fā)生器作為自主微系 統(tǒng)的電源，，，由曲溫明等發(fā)表，其出版于微型機(jī)械學(xué)和微工程雜志11期(200D 中，其全部內(nèi)容結(jié)合于此，作為參考。在本方法中，平面內(nèi)熱電發(fā)生器12被 構(gòu)造成嵌入于環(huán)氧基樹脂薄膜中的鉛鉍熱電偶帶的結(jié)構(gòu)，利用 一系列的箔石 版印刷術(shù)、電鍍、嵌入和濕化學(xué)蝕刻的步驟，以便形成平面內(nèi)熱電發(fā)生器12。
如圖6所示，交叉平面熱電發(fā)生器12如圖6所示可以采用多晶塊狀材料 制造，比如利用在現(xiàn)有技術(shù)中已知的標(biāo)準(zhǔn)佩爾蒂埃(Peltier)冷卻器。在本 結(jié)構(gòu)中，p型和n型熱電管腳40、 38的長度典型地是在毫米范圍內(nèi)，用于利 用多晶塊狀材料的結(jié)構(gòu)。熱偶極板26被設(shè)置在相分隔的一對熱電管腳38、 40 的上端和下端，以-使分別地?zé)徇B接至一熱源和吸熱i殳備22、 24,用于促進(jìn)通 過熱電管腳38、 40的熱流動。
交叉平面熱電發(fā)生器12可以通過在現(xiàn)有技術(shù)中已知的各種替代技術(shù)制 造。例如，交叉平面熱電發(fā)生器12可以以如下文獻(xiàn)中所描述的方式制造，名 稱為"微佩爾特(Micropelt)小型化熱電裝置，小尺寸，高度冷卻功率密度， 短響應(yīng)時間"，由德國弗賴堡(Freiburg)的弗勞恩霍夫協(xié)會(Fraunhof er Institute Phys ikal i sche Messtechnik, IPM)的H.貝特纟內(nèi)(Boettner)發(fā) 表，或名稱為"微佩爾特技術(shù)發(fā)展水平，路標(biāo)和應(yīng)用程序，，，也是由H.貝 特納發(fā)表，以及名稱為"采用微系統(tǒng)技術(shù)的新熱電組件，，，也是由H.貝特納 等發(fā)表，其全部內(nèi)容結(jié)合于此，作為參考。
在上述文章中，交叉平面熱電發(fā)生器12可以通過在具有預(yù)結(jié)構(gòu)化電極的 晶片上沉積(例如，濺射)多層相對厚的(例如，IO微米)多晶Bi2Te, n型材料和(Bi,Sb)J^ p型材料的方式制造。在退火過程之后，n型和p型層通過沉 積高溫焊接劑而凈皮結(jié)合。蝕刻用于定義n型和p型熱電管腳38、 40,此后， 熱偶極板被焊接在 一起。
另外，交叉平面熱電發(fā)生器12可以采用電鍍技術(shù)(例如，流電處理技術(shù)) 制造，比如，描迷在如下文獻(xiàn)中的內(nèi)容，名稱為"通過類似MEMS電化學(xué)過程 制造的熱電微設(shè)備"，由加利福尼亞科技學(xué)會噴氣推進(jìn)實驗室的G 杰弗里 (Jeffrey )'斯奈德(Snyder )等發(fā)表，聯(lián)機(jī)出版在2003年7月27日，其 全部內(nèi)容結(jié)合于此，作為參考。
如圖2所示，熱電發(fā)生器12連接于初始能量管理組件44，具體地用于調(diào) 整由熱電發(fā)生器12產(chǎn)生的電激活能量。初始能量管理組件44接收來自熱電 發(fā)生器12的電激活能量。此外，初始能量管理組件44可以被用于整流和調(diào) 整由熱電發(fā)生器12產(chǎn)生的熱電電壓，以免產(chǎn)生過電壓，并以儲能元件56的 形式從開始提供能量存儲能力，以及提供電壓調(diào)節(jié)能力，來調(diào)節(jié)功率被釋放 給靜電轉(zhuǎn)換器14的點。
通過采用二極管50可以促進(jìn)熱電電壓的整流，以便提供僅具有一個極性 的電壓，而與溫度流動或溫度梯度的方向無關(guān)?？蛇x地， 一整流器48可以祐L 用于開發(fā)溫度梯度，而與利用二極管橋52時的熱流動的方向無關(guān)。進(jìn)一步的 實施例可以包括至少一個二極管，通過初始能量管理組件44來阻止儲存的能 量》文電。
初始能量管理組件44還可以提供過電壓保護(hù)，比如通過利用一個齊納二 極管， 一個單獨的二極管50或多個二極管50以在現(xiàn)有技術(shù)中已知的方式串 聯(lián)設(shè)置。在廣泛的常識中，初始能量管理組件44較佳地提供過電壓保護(hù)，以 便調(diào)整產(chǎn)生有害的熱電電壓，比如可能發(fā)生在熱電發(fā)生器12兩端的相對高的 溫度梯度時的電壓。儲能元件56可以包括小電容器58或一可充電薄膜電池 60，用于累加足夠的能量以便激活靜電轉(zhuǎn)換器14。可以通過采用一開關(guān)或多 個開關(guān)來促進(jìn)電壓4企波，開關(guān)被設(shè)定于已定義的符合儲存的能量總量的電壓
14閾值。超過一預(yù)設(shè)閾值時，在存儲元件中的電荷被作為功率釋放給靜電轉(zhuǎn)換
器14。在預(yù)^沒閾值以下，可以中斷或防止電流流動。
靜電轉(zhuǎn)換器14用于基于一種工作原理從振動轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，相對于形成 在可變電容器58的兩個極板之間的電場，執(zhí)行該工作。靜電轉(zhuǎn)換器14可以 被構(gòu)建成類似于如下文獻(xiàn)的公開內(nèi)容，名稱為"振動到電能的轉(zhuǎn)換"，由S梅 寧爾(Meninger)等發(fā)表，由IEEE出版在"超大規(guī)模集成電路(VLSI)系統(tǒng) 報"2001年2月第9期，第l號中(以下稱為梅寧爾參考)，其全部內(nèi)容結(jié) 合于此，作為參考。
另外，靜電轉(zhuǎn)換器14可以被構(gòu)造為類似于如下文獻(xiàn)的公開內(nèi)容，名稱為 "用于功率產(chǎn)生的微加工可變電容器"，由英國倫敦皇家學(xué)院電學(xué)和電子工程 系的光學(xué)和半導(dǎo)體設(shè)備小組的P 苗(Miao)等發(fā)表，其全部內(nèi)容結(jié)合于此，作 為參考。并且，靜電轉(zhuǎn)換器14的構(gòu)造或設(shè)置可以類似于如下文獻(xiàn)公開的內(nèi)容， 名稱為"用于低頻運行的MEMS靜電微功率發(fā)生器"，由英國倫敦皇家學(xué)院的 P. D.米切森(Mitcheson)等發(fā)表，該文獻(xiàn)可以聯(lián)機(jī)獲得，于2004年6月1 曰，其全部內(nèi)容結(jié)合于此，作為參考。另外，靜電轉(zhuǎn)換器14可以被類似于如 下文獻(xiàn)公開的內(nèi)容構(gòu)造，名稱為"微靜電振動到電轉(zhuǎn)換器"，由加利福尼亞 伯克利大學(xué)的夏德 朗蒂等發(fā)表，出版于IMECE2002-39309號文獻(xiàn)中，其全 部內(nèi)容結(jié)合于此，作為參考。
靜電轉(zhuǎn)換器14可以通過微加工可變電容器58的方式制造。可變電容器 58由于作用于電場的機(jī)械力(即，振動)而產(chǎn)生電能，該電場形成于通過電介 質(zhì)20分離的一對極板18之間。在這點上，可變電容器58通過改變一對極板 18之間的距離來將振動能轉(zhuǎn)換成電能，作為對發(fā)生在極板18之間的相對的振 動運動的響應(yīng)。可變電容器的極板的幾何尺寸和間距確定其電容值。底板相 對于頂板的運動用于提取電荷，可以采用比如功率提取電路的方式。
靜電轉(zhuǎn)換器14可以運行在以下兩種不同模式下電荷調(diào)整和電壓調(diào)整。 對于電荷調(diào)整和電壓調(diào)整模式下的運行被提供在梅寧爾參考以及上述提到的由朗蒂發(fā)表的"微靜電振動到電轉(zhuǎn)換器"中。在電荷調(diào)整模式下，在可變電
容器58中的電荷被調(diào)整，以至于由于極板間的間距從初始間隙變?yōu)樽罱K間隙 時的間距增加，以使電壓隨著電容減少而增加。在電荷調(diào)整模式下，靜電轉(zhuǎn) 換器14需要一單獨的電壓源，比如可以由熱電發(fā)生器12產(chǎn)生，以便激活靜 電轉(zhuǎn)換器14。
可變電容器的電容值在最大電容值和最小電容值之間振蕩，以響應(yīng)由振 動源感生的振動，比如通過上面提到的電馬達(dá)等。熱電發(fā)生器12產(chǎn)生一種具 有足夠高電壓的電激活能量，該高電壓是響應(yīng)溫度梯度時產(chǎn)生的。當(dāng)可變電 容器處于其最大容量(C")時，激活能量被傳遞給靜電轉(zhuǎn)換器。激活能量或電 荷通過關(guān)閉電路而被轉(zhuǎn)移，比如通過激活第一開關(guān)，以使能量可以從熱電發(fā) 生器12(即，通過初始能量管理組件44)流動到可變電容器。
第一開關(guān)然后與振動頻率同步打開，以使當(dāng)在初始能量管理組件44和可 變電容器之間有開路時，可變電容器從C吣移動到最小電容值(CJ的位置。電
容值從(L、減少到c導(dǎo)致可變電容器兩端的電壓增力口。在a,n時，通過關(guān)閉可
變電容器和存儲設(shè)備之間的電路，比如通過激活第二開關(guān)，在可變電容器中 儲存的電荷然后以一種增加的電壓被傳遞給存儲設(shè)備，比如傳遞給最終能量 管理組件46的一單獨的電容器。以本方式進(jìn)行循環(huán)重復(fù)，從而創(chuàng)建電能，作 為在C,和d,^.之間由于振動而振蕩的結(jié)果。
靜電轉(zhuǎn)換器14在電壓調(diào)整模式下的運行和設(shè)置是首先通過將可變電容器 從存儲元件充電到最高電壓V,^而啟動的，其中的存儲元件由一單獨的電壓源 比如熱電發(fā)生器12饋電。V^的值可以由電路中的開關(guān)的最高電壓能力決定， 或通過可變電容器本身的最大場調(diào)整?？勺冸娙萜鞯臉O板兩端的電壓，當(dāng)極 板在振動力的作用下從C^移動到(U時，通過附加電壓源的方式保持不變， 在移動的時候，電荷的一部分從可變電容器移動到存儲元件，比如可能被包 含在最終能量管理組件46中的電容器。附加電壓源可由附加熱電發(fā)生器12 提供。明顯地，雖然靜電轉(zhuǎn)換器的電荷調(diào)整型式與電壓調(diào)整情況相比產(chǎn)生較少
的能量，^f旦需要一個單獨的電壓源用于電壓調(diào)整型式，以便當(dāng)它從c,聰移動到
cu時，在可變電容器極板兩端保持恒壓。因此，本發(fā)明的電源較佳地設(shè)置為 運行在電荷調(diào)整模式中，其中熱電發(fā)生器12可以有利方便地提供一種自給自 足并且可再生的激活能量給靜電轉(zhuǎn)換器的可變電容器。重要的是，將靜電轉(zhuǎn) 換器和熱電發(fā)生器12獨有地組合在一起使本發(fā)明的電源成為一種完全可再生 并且自給自足的電源。重要的是，具有靜電轉(zhuǎn)換器的熱電發(fā)生器12的獨有的 組合使本發(fā)明的電源成為一種完全可再生并且自給自足的電源。
仍如圖1所示，最終能量管理組件46如圖所示連接于靜電轉(zhuǎn)換器14，并 且具體地用于以一種類似于上面描迷的用于初始能量管理組件44的方式，調(diào) 整由靜電轉(zhuǎn)換器14產(chǎn)生的電能。更具體地，最終能量管理組件46用于通過 一種連接于最終能量管理組件46的電裝置調(diào)整所用的電能。
最終能量管理組件46可以包括一控制器來運行靜電轉(zhuǎn)換器14以及將由 靜電轉(zhuǎn)換器14產(chǎn)生的電壓變換為可用電平，用于驅(qū)動和激勵電子器件62。可 選地，最終能量管理組件46可以較佳地包括一儲能元件56,比如小電容器 58或可充電薄膜電池60，以便累加足夠的電能來驅(qū)動連接于本發(fā)明的電源10 的電子器件62。
另外，儲能元件56可以被用于提供電激活能量，使靜電轉(zhuǎn)換器14能夠 減小初始能量管理組件44的尺寸和復(fù)雜度，以及能夠減少熱電發(fā)生器12。最 終能量管理組件46可以進(jìn)一步提供電壓檢波以便將閾值調(diào)節(jié)到功率被釋放的 值。采用功能開關(guān)運行在預(yù)設(shè)電壓閾值可以促進(jìn)電壓檢波。當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)設(shè) 閾值時，存儲元件中的電荷被釋放給電子器件62。另外，電能的一部分可以 被返回釋放給靜電轉(zhuǎn)換器14,以便繼續(xù)其轉(zhuǎn)換循環(huán)。在預(yù)定的電壓閾值以下， 中斷或阻止了為電子器件62供電的電流源。
在如圖2-4所示的可選實施例中可以提供電源IO例如，如圖2所示，初 始和最終能量管理組件可以被合并到一單一的裝置，以使電源10包括三個通用組件熱電發(fā)生器12、靜電轉(zhuǎn)換器14和能量管理組件44、 46。所有的組 件可以以類似于如圖1所示方式互連。
在圖3中，電源10可以^皮設(shè)置在另外一個實施例中，其中熱電發(fā)生器12 和靜電轉(zhuǎn)換器14被集成為一個單一的裝置。例如，較佳地，利用硅基技術(shù)和 微電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)來制造靜電轉(zhuǎn)換器.14和熱電發(fā)生器12，以便促進(jìn)與 可以由靜電轉(zhuǎn)換器14驅(qū)動的硅基微電子器件的集成和微型化。例如，熱電發(fā) 生器12和靜電轉(zhuǎn)換器14可以被制造為一種片上裝置，與由電源IO驅(qū)動的微 電子組件組合。
在另外一種設(shè)置中，熱電發(fā)生器12和靜電轉(zhuǎn)換器14可以構(gòu)造為一種混 合裝置，其中靜電轉(zhuǎn)換器14采用硅基技術(shù)制造，而熱電發(fā)生器12采用非硅 基微技術(shù)制造，該非硅基微技術(shù)類似于美國專利號6， 958， 443文獻(xiàn)顯示和公 開的內(nèi)容。更具體地，專利號6, 958,443的文獻(xiàn)公開了一種Bi/T3基的熱電材 料系統(tǒng)。在如圖3所示的結(jié)構(gòu)中，初始和最終能量管理組件可以被構(gòu)造為一 種類似于圖2所示及如上所述的單一結(jié)構(gòu)。
在另外一個實施例中，電源IO可以被設(shè)置為類似于圖4所示，其中熱電 發(fā)生器12被設(shè)置為環(huán)形或螺旋形的箔片段28，類似于美國專利申請?zhí)?11/352,113,名稱為"低功率熱電發(fā)生器"的文獻(xiàn)所顯示和公開的內(nèi)容。如 所公開的，螺旋纏繞設(shè)置的熱電發(fā)生器12提供了一種機(jī)會，用于將靜電轉(zhuǎn)換 器14集成在形成于熱電發(fā)生器12的中心部分的一開口或孔中。
在螺旋形的結(jié)構(gòu)中，平面內(nèi)熱電發(fā)生器12可以被設(shè)置為螺旋形的連續(xù)基 片30或互連基片30的片段，其中較大量的熱電管腳38、 40為串聯(lián)的，其中 基片30片段可以采用基片30之間的金屬接觸物36被端到端連接，從而電性 串聯(lián)n型和p型熱電管腳38、 40。 螺旋形的或疊層的熱電堆結(jié)構(gòu)可以具有熱 偶極板26，設(shè)置于上端和下端，以便連接到熱源22和吸熱設(shè)備24。可預(yù)期 地，還可以將每個組成電源10的組件集成為一個單一的結(jié)構(gòu)，并被封裝以形 成方便的裝配件，可以用于在許多通用微電子器件中。
18圖4中的組件之間的電連接與上述及圖1-3所述內(nèi)容相同。另外，可預(yù) 期地，還可以將組成本發(fā)明的電源的組件集成為一個單一的封裝裝置，比如 基于MEMS技術(shù)和硅基技術(shù)。這種裝置可以被進(jìn)行片上制造或被制造為混合裝 置構(gòu)造，類似于如上所述的采用硅基技術(shù)的靜電轉(zhuǎn)換器14及利用非石勤效技術(shù) 的熱電發(fā)生器12。
電源10的運行參照圖1-6進(jìn)行描述。熱電發(fā)生器12較佳地設(shè)置在適當(dāng) 的熱源22和吸熱設(shè)備24之間，以便直接地將熱能轉(zhuǎn)換成電能，以提供初始 電激活能量給初始能量管理組件44。由于溫度差的中斷或變化，這種電激活 能量很可能被顯示為相對不規(guī)則的或不連續(xù)的能流，其需要被連續(xù)調(diào)節(jié)為穩(wěn) 定的、 一致的電能輸出。
因此，初始能量管理組件44整流和調(diào)整電激活能量，并在任選的儲能元 件56中產(chǎn)生電荷，比如，電容器58或小的可充電薄膜電池60。另外，初始 能量管理組件44用于利用電壓檢波器檢測儲能元件的電荷狀態(tài)。 一旦達(dá)到預(yù) 設(shè)電壓電平，電激活能量能被以適當(dāng)?shù)碾妷弘娖结尫沤o靜電轉(zhuǎn)換器14。
當(dāng)從初始能量管理組件44接收到電激活能量時，靜電轉(zhuǎn)換器14然后便 產(chǎn)生電能。如上所述，靜電轉(zhuǎn)換器14具體地用于產(chǎn)生電能，作為作用于振動 源16的機(jī)械能(即，振動)的結(jié)果。從而，靜電轉(zhuǎn)換器14提供電能給最終能 量管理組件46,像初始能量管理組件44 一樣，調(diào)整由此產(chǎn)生的功率，以便驅(qū) 動最終電子器件62。另外，能量的一部分可以從電源分接到電子器件62,用 于驅(qū)動靜電轉(zhuǎn)換器14。
可選地，最終能量管理組件46可以進(jìn)一步包括一相對大的儲能元件56, 比如可充電薄膜電池60,其可以被充有額外的能量，該能量不被最終電子器 件62或靜電轉(zhuǎn)換器14采用。進(jìn)一步地，由熱電發(fā)生器12產(chǎn)生的未被提供給 靜電轉(zhuǎn)換器14的額外電能，還可以被儲存在最終能量管理組件46的一相對 大的儲能元件56，以便延長最終電子器件62的運行時間。
本發(fā)明不同實施例的描述圖示其最佳實施例，其他創(chuàng)造性的概念也可以 被進(jìn)行各種各樣的具體表達(dá)和采用。在審的權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)被解釋為包含這些 變化，除了由現(xiàn)有技術(shù)限定的范圍以外。
權(quán)利要求
1. 一種電源，包括一熱電發(fā)生器，用于產(chǎn)生響應(yīng)作用于所述熱電發(fā)生器兩端的溫度梯度而產(chǎn)生的足夠高電壓的電激活能量；以及一靜電轉(zhuǎn)換器，連接于所述熱電發(fā)生器，被從其接收到的所述電激活能量激活，用于響應(yīng)作用于其上的振動能以產(chǎn)生電能。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其中所述靜電轉(zhuǎn)換器用于以充電調(diào)整模 式將振動能轉(zhuǎn)換成電能。
3、 一種電源，包括產(chǎn)生的足夠高電壓的電激活能量；一初始能量管理組件，連接于并用于接收和調(diào)整由所述熱電發(fā)生器產(chǎn)生 的所述電激活能量；一靜電轉(zhuǎn)換器，連接于所述初始能量管理組件，被從其接收到的所述電 激活能量激活，用于響應(yīng)作用于其上的振動能以產(chǎn)生電能；以及一最終能量管理組件，連接于所述靜電轉(zhuǎn)換器，用于調(diào)整由此產(chǎn)生的所 述電能。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源，其中所述熱電發(fā)生器和靜電轉(zhuǎn)換器被集 成為一單一的電子裝配件。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源，其中所述初始能量管理組件和最終能量 管理組件被集成為一單一的電子裝配件。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源，其中所述熱電發(fā)生器、靜電轉(zhuǎn)換器及初 始能量管理組件和最終能量管理組件被集成為一單一的電子裝配件。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源，其中所述靜電轉(zhuǎn)換器用于以電壓調(diào)整模 式將振動能轉(zhuǎn)換成電能。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源，其中所述靜電轉(zhuǎn)換器用于以充電調(diào)整模式將振動能轉(zhuǎn)換成電能。
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的電源，其中所述靜電轉(zhuǎn)換器包括一可變電容器，其具有在初始間隙和相對大的最終 間隙之間可變動的一對相分隔的導(dǎo)體極板；所述初始能量管理系統(tǒng)用于當(dāng)所述導(dǎo)體極板以所述初始間隙相分隔時， 將所述電激活能量以初始電壓提供給所述可變電容器，在所述初始間隙時， 所述可變電容器具有最大的電容值；所述靜電轉(zhuǎn)換器用于將所述導(dǎo)體極板之間的間距從所述初始間隙增加到 所述最終間隙，以響應(yīng)作用于其上的振動能，引起電容值的減少，并將電壓從所述初始電壓增加到最高電壓；所述靜電轉(zhuǎn)換器被進(jìn)一步用于在所述最高電壓從所述可變電容器提取電 荷，發(fā)送給一存儲元件。
10、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源，其中所述熱電發(fā)生器和靜電轉(zhuǎn)換器中 的至少 一個釆用硅基技術(shù)制造。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的電源，其中所述熱電發(fā)生器和靜電轉(zhuǎn)換器中 的至少一個采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制造工藝制造。
12、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源，其中所述熱電發(fā)生器和靜電轉(zhuǎn)換器中 的至少一個采用微電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造。
13、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源，其中所述熱電發(fā)生器包括多個n型和p 型熱電管腳，由塊狀多晶熱電材料形成。
14、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源，其中所述熱電發(fā)生器采用電鍍技術(shù)制造。
15、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源，其中所迷熱電發(fā)生器具有平面內(nèi)結(jié)構(gòu)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的電源，其中所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器采用薄膜 技術(shù)制造。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的電源，其中所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器包括一對相分隔的熱偶才及斧反；至少一個基片，與所述熱偶極板熱連通，所述基片具有相對的前后基片 表面，所述基片由具有低熱導(dǎo)性的電絕緣材料形成；以及一組延長交錯的n型和p型熱電管腳，以相分隔的平行結(jié)構(gòu)設(shè)置在前后 基片表面中的至少一個上，每個所述n型和p型管腳由熱電材料形成；其中每個所迷p型熱電管腳，電連接于在所述p型熱電管腳的兩端的相 鄰的一個所述n型熱電管腳，以使該組n型和p型熱電管腳電性串聯(lián)，并且 熱性并聯(lián)。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電源，其中所述n型和p型熱電管腳由Bi2Te3 型熱電材料形成。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電源，其中所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器包括 多個相分隔的平行箔片段，電性串聯(lián)、熱連接于所述熱偶極板且插入于所述熱偶極板之間，每個所述箔片段包括 一基片，具有相對的前后基片表面；其中所述交錯的n型和p型熱電管腳以相分隔的平行結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述 前后基片表面中的至少 一個上。
20、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電源，其中所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器包括 一螺旋纏繞的箔片段，被置于所述熱偶極板且熱互連于所述熱偶極板之間，所述箔片段包括一延長基片，具有相對的前后基片表面；其中所述交錯的n型和p型熱電管腳以相分隔的平行結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述 前后基片表面中的至少一個上。
21、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源，其中所述熱電發(fā)生器具有一交叉平面 結(jié)構(gòu)。
22、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的電源，其中所述交叉平面熱電發(fā)生器包括 一對相分隔的熱偶才及才反；以及一組延長交錯的n型和p型熱電管腳，朝向相對于所述熱偶極板的垂直 方向，并與其熱連通，每個所述n型和p型管腳由熱電材料形成；其中每個所述p型熱電管腳，電連接于在所述p型熱電管腳的兩端的相 鄰的一個所述n型熱電管腳，以4吏該組n型和p型熱電管腳電性串聯(lián)，并且 熱性并耳關(guān)。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的電源，其中所述n型和p型熱電管腳由Bi2Te3 型熱電材料形成。
24、 一種熱電發(fā)生器，用于提供具有足夠高電壓的電激活能量給具有靜 電轉(zhuǎn)換器的電源，所述靜電轉(zhuǎn)換器用于響應(yīng)作用于所述靜電轉(zhuǎn)換器上的振動 能，并產(chǎn)生電能。
25、 根據(jù)權(quán)利要求24所述熱電發(fā)生器，設(shè)置為平面內(nèi)結(jié)構(gòu)，包括 一對相分隔的熱偶一及板；一基片，朝向相對于所述熱偶極板的垂直方向，并與其熱連通，所述基 片具有相對的前后基片表面；以及一組延長交錯的n型和p型熱電管腳，以相分隔的平行結(jié)構(gòu)至少設(shè)置在 前基片表面上，每個所述n型和p型管腳由熱電材料形成；其中每個所述p型熱電管腳，電連接于在所述p型熱電管腳的兩端的相 鄰的一個所述n型熱電管腳，以使該組n型和p型熱電管腳電性串聯(lián)，并且 熱')"生并聯(lián)。
26、 根據(jù)權(quán)利要求24所述熱電發(fā)生器，設(shè)置為交叉平面結(jié)構(gòu)，包括 一對相分隔的熱偶極板；一組延長交錯的n型和p型熱電管腳，朝向相對于所述熱偶極板的垂直 方向，并與其熱連通，每個所述n型和p型管腳由熱電材料形成；其中每個所述p型熱電管腳，電連接于在所述p型熱電管腳的兩端的相 鄰的一個所述n型熱電管腳，以使該組n型和p型熱電管腳電性串聯(lián)，并且 熱性并聯(lián)。
全文摘要
一種電源，包括一熱電發(fā)生器，一初始能量管理組件，一靜電轉(zhuǎn)換器及一最終能量管理組件。所述熱電發(fā)生器用于產(chǎn)生響應(yīng)作用于熱電發(fā)生器兩端的溫度梯度而產(chǎn)生的足夠高電壓的電激活能量。所述初始能量管理組件連接于所述熱電發(fā)生器，用于接收和調(diào)整由熱電發(fā)生器產(chǎn)生的電激活能量。所述靜電轉(zhuǎn)換器，連接于所述初始能量管理組件，被從初始能量管理組件接收到的電激活能量激活，用于響應(yīng)作用于其上的振動能以產(chǎn)生電能。所述最終能量管理組件，連接于所述靜電轉(zhuǎn)換器，用于調(diào)整由此產(chǎn)生的電能。
文檔編號H01L35/28GK101454914SQ200780019971
公開日2009年6月10日 申請日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者英戈·斯達(dá)克 申請人:數(shù)字安吉爾公司