[发明专利]能量采集的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及从振动、应变、转动和/或冲击采集（harverst）能量的装置和方法。

背景技术

在过去的几十年中，为例如无线传感器供电的需要已经促使了关于从环境中采集能量的研究活动。如果能量通过电线提供，或者如果电池具有有限的工作时间、庞大的尺寸和很大的重量，则无线通信能力不能被完全地利用。

能量采集机理取决于环境和应用。各种不同的能量源已经被提出：光、热（热梯度）、应变、振动、电磁场、动力学、气流、压力变化和放射性材料，以及还有振动。

用于能量采集的众多被研究应用中的一个是例如汽车轮胎压力监控系统TPMS。在市场上已经存在电池操作的装置，但是采集器将增加这些系统的操作时间。TPMS所需的功率水平目前在100μW的范围内。这比已经公开的典型现有技术装置所报告的大至少10倍。但是，在采集的功率水平正在提高的同时，这些应用所需的功率水平不断地降低。看起来似乎某一天这些水平将相会。

存在已知的一些现有技术的能量采集器，比如US 2007/0125176A1，其中披露了具有微机电结构的能量采集器，该微电机结构被构造为分别以不同的频率共振的多个构件，以使得该结构可以响应多个不同的振动频率。压电材料把振动转换成在该结构的至少一部分上的电压差。

此外，WO 2007044443披露了在使用基于轮胎压力的能量清除器（scavenger）为轮胎监测系统中的电子装置供电的解决方案，其中由轮胎的旋转引起的压力变化通过换能器（transducer）转换成电能，该换能器具有表面被涂覆了导电层（1112）的外壳、以及超薄（大约100纳米）介电膜（1114），以保证导电膜片不会与刚性外壳上的导电层实际地形成电接触。

WO 2007044443也教导了将可变电容器换能器作为基于压力的能量清除器，其中刚性外壳（1110）被用来在弹性体膜片（1120）与刚性外壳（1110）之间形成空气间隙可变电容器，以及其中可变电容器不是由膜片的尺寸变化而形成，而是通过改变膜片与刚性外壳之间的间隙而形成。膜片的表面需要是导电的。

此外，WO 2007121092A1披露了能够从环境振动中采集能量的压电功率生成器。该生成器包括支撑压电板的介电框架，所述压电板具有上电极和形成在下电极上方的压电层以及介电层和形成在压电层上的端部质量（end mass）。该端部质量提供重量以使压电板在框架内运动（振动）并且导致电功率的产生。生成器优选地通过微机电系统（MEMS）过程形成。

但是，一些缺点涉及已知的现有技术的解决方案。例如大部分能量采集器只有对特定的共振频率有效地起作用。此外，被设计以响应多个不同振动频率的装置典型地由分别以不同频率共振的多个构件组成。但是，具有多个构件的装置制造非常复杂。此外基于电容的能量采集器需要用于提供偏置电压的电池以适当地开始操作。而且许多已知的采集器对于超过预期使用限度的振动是易损坏的。

发明内容

本发明的一个目的是克服或者至少缓解已知现有技术解决方案相关的缺点，比如将采集的能量最大化而不针对特定的频率来限制采集器的机械共振频率。此外，本发明目的在于使能量采集器的制造过程容易。

本发明的目的通过独立权利要求中披露的特征来实现。

根据本发明的一个实施方式，两个电容器板彼此基本平行地设置在采集器的采集模块中，以使得在所述板之间形成间隙。第一板适于由于振动、应变、转动和/或冲击而在与第二电容器板基本上垂直的方向上运动（来回运动），于是在所述装置的振动、应变、转动和/或冲击的期间，所述间隙的体积交替地减小和增大，有利地连续地最小化和最大化。来回运动因此改变了所述板之间的电容量并且电功率被产生到功率输出端。由于板的运动是在朝向电容器板的基本上垂直的方向上，因此操作原理是平面外（out-of-plane）电容采集器。

此外，薄介电膜被用在电容器板之间以最大化被采集的能量（以及使采集器能够在半接触模式下操作）。而且，根据本发明，压电元件连同采集装置一起使用，以从振动和/或应变中产生到达电容器采集模块的偏置电压，以使能实现电容器采集模块的功能。电容器采集模块需要偏置电压以从平衡位置（rest position）启动。

根据一个实施方式，压电元件除了产生偏置电压之外也被用于从振动和/或应变中产生到达功率输出端的电功率。由于输出功率由电容性特征和压电特征两者产生，因此这提供了采集装置的效率。