结合参数弯曲模态能量收获的压电振动能量收获系统的制作方法

专利名称：结合参数弯曲模态能量收获的压电振动能量收获系统的制作方法
技术领域：
本发明一般性地涉及振动能量收集(energy scavenging)领域。 特别地，本发明针对结合参数弯曲模态能量收获的压电振动能量收获 (energy harvesting)系统。
背景技术：
在上四分之一个世纪中，集成电路(IC)的集成水平已经大有进步。 同时，IC的特征尺寸相应地明显减小。例如，MOSFET (metel-oxide-semiconductor field—effect transistor,金属氧化 物半导体场效应晶体管)栅的宽度目前在45nm左右，并且计划在2010 年达到18nm。这比人类头发宽度的1/500还小。IC元件不但在尺寸方 面显著减小，而且还在功耗方面有所减小。通常使用由双n-FET和p-FET 器件制造的 CMOS ( complementary metal—oxide semiconductor,互补 型金属氧化物半导体)电路来制造IC。 CMOS电路比纯粹的nM0S电路或 者纯粹的pM0S电路消耗少得多的能量。
IC在尺寸和功耗两方面的减少导致近年来无线IC技术的迅速扩 展，这在仅仅十年以前是不可能的。如今，有各种各样的装置使用低功 率无线电路，包括举几个例子来说膝上型计算机、手机、MP3播放器、 智能电话、电话耳机、头戴式耳机、路由器、游戏控制器、移动互联网 适配器以及间谍相机。当然，这些装置中的每一个都需要某种独立的电 源来工作。用于这些装置的典型电源是电池，经常是可更换的电池。
目前明显感兴趣的无线技术领域(即许多研究的目标)是无线传感 器网络领域。事实上，研究者预想未来会包括对无线传感器网络(WSN)的广泛采用。在WSN中，无线传感器在整个特定环境中分布以形成将测 量数据中继给中心枢纽的ad-hoc网络或者网状网络(mesh)。该特定环 境可以是汽车、飞行器、工厂和建筑中的任何一个等等。WSN包含几个 到几万个在短距离使用多跳传输进行操作的无线传感器节点。每个无线 节点一般性地包括传感器、无线电子系统(electronics )和电源。结 果是产生智能型环境，所述智能型环境响应于该智能型环境的条件和住 户(inhabitant )(如果有的话)。
无线传感器节点，如上面提到的其它无线装置一样，需要某种独立 的电源来为该节点上的电子系统提供电能。可以使用传统电池，诸如锂 离子电池、锌空气电池、锂电池、碱性蓄电池、镍金属氢化物电池和镍 镉电池。然而，对于被设计为比这些电池的通常使用寿命工作得久的无 线传感器节点来说，在某个时候必须更换电池。取决于待讨论的(at issue)节点的数量和那些节点的可及性，这可能会导致重大问题和开 销，更不用提需要对电池进行处置。因此，许多WSN都期望需要周期性 注意的电池和其它类型电源的替代品，诸如微型燃料电池。
这种替代的独立电源通常依靠从无线传感器节点的周围环境收集 (或者"收获")能量。例如，如果无线传感器节点暴露于充足的光线 中，则替代的独立电源可以包括光电池或者太阳能电池。可替换地，如 果无线传感器节点暴露于充足的空气流动中，则替代电源可以包括用于 从流动的空气中收获能量的微型燃气轮机。其它替代的独立电源还可以 基于温度波动、压力波动或者其它环境影响。
然而，在许多情况下周围环境不包括充足量的光线、空气流动、 温度波动和压力波动来提供足够的电能为特定的无线传感器节点供电。 然而，传感器节点可能经受基本可预测的和/或持续的振动，该振动例 如来源于支持该节点的结构或者该节点附加在上面的结构。在这种情况 下，可以使用将振动能量基本上转换成电能的振动能量收集器(energy scavenger)(或者收获器(harvester))。
特定类型的振动能量收获器利用了结合压电材料的谐振梁，该压电 材料当在由周围振动(驱动力)引起梁的谐振期间受到应变时产生电荷。 许多传统的压电振动能量收获器(PVEH)的一个缺点是，它们是具有高 品质因数(Q)的最低限度阻尼的装置。因此，它们只在非常小的振动 频率带宽内有效。这在任何一个或多个各种环境下都会成为问题，诸如
7当无线传感器节点经受改变PVEH的调谐的温度变化时、当周围振动的 频率随时间变化时、以及当用于制造PVEH的生产方法导致PVEH刚完成 的(as-built)调谐发生变化时。

发明内容
本发明的一个实施方案是一种振动能量收获器。所述振动能量收获器 包括谐振梁，所述谐振梁具有横截面特性、第一弯曲方向上的基本谐振频 率和垂直于所述第一弯曲方向的第二弯曲方向上的参数^^态频率 (parametric mode frequency),其中选择所述截面特性以将所述基本谐振 频率调谐成第一期望频率并且将所述参数模态频率调谐成第二期望频率，所 述谐振梁包括压电材料，所述压电材料用于响应所述谐振梁在所述第一和第 二弯曲方向中的每个方向上的弯曲而生成电能。
本发明的另一实施方案是一种振动能量收获单元。所迷振动能量收 获单元包括相互电连接的多个压电振动能量收获(PVEH)模块，其中所 述PVEH模块中的每一个包括多个参数模态使能的PVEH梁，每个所述PME PVEH梁被配置为从基本谐振激励和参数模态激励中的每一个收获电荷。
本发明的又一实施方案是一种无线传感器。所述无线传感器包括用 于收集数据的转换器；用于将所述数据传输给与所述无线传感器间隔的接 收器的无线发射器；以及与所述转换器和所述无线传感器电通信的参数模 态使能(parametric mode enabled, PME)的压电振动能量收获(PVEH) 电源，所述PMEPVEH电源被配置为在使用时在所述无线传感器周围的环境 中收集振动能量以便生成电能以供在使用期间为所述转换器和所述无线发 射器供电。


出于图解说明本发明的目的，图示出了本发明一个或多个实施例的 方面。然而，应该理解，本发明不限于图中所示的精确的设置和工具， 其中
图1是根据本公开的概念制造的压电振动能量收获(PVEH)单元的 示例的等距视图2A是图1系统的PVEH模块之一的放大平面视图，示出了多组参 数模态使能(PME )的PVEH梁；图2B是图1的三个PVEH模块的放大局部截面分解图，图解说明了这三个PVEH模块在相互附接之前的配置； 图2C是图1的上面六个PVEH模块的放大局部截面局部示图，这六个 PVEH模块在完成的堆叠体(stack)中相互固定。
图3是使用传统做法制造的悬臂PVEH梁的典型频谱(电压-频率)
图4是使用本公开的概念制造的一组悬臂PME PVEH梁的频谱(电 压-频率)图，该图示出了不同的宽度厚度比对不同梁的频谱的影响；
图5是包含三组PME梁的PVEH模块的频谱(电压-频率)图，其中 这些组被调谐成稍微不同的频率；
图6是根据本公开的概念制造的双压电晶片(bimorph) PME PVEH 梁的放大纵向截面视图7是沿着图6的7-7线的截面视图8是根据本公开的概念制造的单体电晶片(monomorph)PMEPVEH
梁的横截面视图9A-P是一系列图解说明可以被用于制造单体电晶片PMEPVEH梁 的制造过程的步骤的图，其中图9A-P中的每一个都包含与所完成的梁 相对应的纵向截面视图和横截面视图10A-B是一系列图解说明可以被用于制造单体电晶片PME PVEH 梁的替代步骤的图，其中图IOA-B中的每一个都包含与所完成的梁相对 应的横向截面视图和横截面视图11是根据本公开的概念制造的无线传感器的示意图/图解视以及
图12是无线传感器的网络的框图，其中每个无线传感器都利用基 于PME的电源来为该网络中的每个板栽(onboard)传感器和通信供电。
具体实施例方式
现在参考图，图1图解示出根据本公开的概念制造的压电振动能量 收获器(PVEH)单元100的示例。本领域的技术人员将认识到，可使用 这样的PVEH单元来从周围环境中收集的振动能量生成电能，在该周围 环境中安装有或者以其它方式放置有PVEH单元。虽然图1所图解说明 的PVEH单元100处于小尺度尺寸范围中——该特定示例大致为长方体， 该长方体的每个基准边大约7.5mm并且高大约13. 5mm——但是可替换地，可以使用本领域技术人员容易理解的制造技术以其它尺寸范围、诸
如中尺度尺寸范围来构造根据本公开的概念制造的其它PVEH单元。由 于示例性PVEH单元100的尺寸，本领域技术人员将认识到可以使用MEMS (micro-electromechanical systems,微机电系统)制造技术来制造该 示例性PVEH单元100。下面结合图9A-P和IOA-B来说明MEMS制造技术 的示例。
根据本公开概念制造的PVEH单元、诸如PVEH单元100特别地(虽 然不是专门地)适于以下应用，其中PVEH单元通常为之供电的装置或 者需要或者期望对于多种原因中的任何一个或者多个而言能够自给，所 述原因诸如物理不可接近性、提供电源线或者更换电池的不可实现性、 替代电源的不可获得性以及费用等等。列出所有从实施本公开的广泛概 念中获益的应用是不切实际的。然而，因为无线传感器网络目前是这项 技术的重要目标应用，所以本公开包含在无线传感器以及在包含这样的 无线传感器的传感器网络中实施这些概念的示例。也就是说，本领域的 技术人员将容易地认识到，无线传感器网络绝不是在此所公开的广泛概 念的唯一可能应用。
继续参考图1并且还参考图2A，在高水平上，该示例的PVEH单元 100包括十六个PVEH模块104A-P (其中之一，模块104C在图2A中详 细示出)。模块104A-P享有相同的通用构造，该通用构造包括多组类似 的PVEH梁，其中一组中的所有梁都以相同方式被调谐，并且梁的调谐 在组与组之间有所不同。这在图2A中通过具有六组200A - F的模块l(MC 图解说明，其中每组包含八个被一致调谐的PVEH梁2(MA-F (在该示例
中是悬臂梁)并且其中梁的调谐在六组之间有所不同。在该示例中，通 过分别改变PVEH梁204A-F的工作长度(active length) L,到W来提 供不同的调谐，如在图2A中所看到的。在下面提到改变PVEH梁204A-F 的调谐的其它/替代方式的示例。还应该注意，在该示例中就用于制造 梁的压电材料的分层而言，每个PME PVEH梁2 04 A-F都是"双压电晶片，， 梁，并且就用于从压电材料中收获电能的电极被专门配置以用于从梁的 参数模态激励中收获能量的方式而言，每个PME PVEH梁2(MA-F还是 "分割电极(split-electrode)"梁。在下面详细i兌明双压电晶片概念 和分割电极概念中的每一个。
如本领域技术人员将认识到的，图2A中示出的PVEH模块104C只是可以使用在此公开的广泛概念来进行构造的PVEH模块的事实上无穷 多个配置中的一个示例。下面是可以单独以及可以以相互之间的各种组 合进行改变的几项，以提供不同设计1 ) PVEH梁在每组中的数量可在 不同设计中不同于八个；2) PVEH梁的数量可以在组与组之间不同；3) 组的数量可不同于所示出的六组；4)不一致组的数量可不同于所示出 的六组；5 )每个模块可具有相互一致的两组或更多组；以及6)PVEH 梁可不同于悬臂，诸如双固定端型、双夹持端型、简单支承型以及其它 类型组合的混合型等等。支承条件不限制本公开的广泛概念的应用。
另外，所有的PVEH模块104A-P不需要都与图2中所示的模块104C 相同。例如，如果期望六个不同的梁调谐，则图1的所有十六个模块 104A-P可一致。然而，可以以其它方式来提供六个不同的梁调谐。例如， 每个PVEH模块可提供两个不同的调谐，从而模块中的至少两个其它模 块每个都再提供两个不同的调谐。另一示例是，整个PVEH模块都可只 具有一个梁调谐，从而由至少都具有相互不同调谐的六个模块来提供六 个不同的调谐。前述只是可以使得实现期望目的的许多变型中的例子。
还应该注意，使用在此公开的广泛概念制造的PVEH单元可以根据 待讨论的特定设计参数在不同的梁调谐的数量方面有所改变。例如，在 某些应用中，整个PVEH单元只需要单个梁调谐，而对于其它应用，三 个、六个、十个或者更多个不同的调谐可能是有利的。在下面讨论与确 定应该提供多少梁调谐有关的一些因素。
根据本公开的概念制造的PVEH单元、诸如图1的PVEH单元100包 括若干特征中的任何一个或多个，所述特征可以给予PVEH单元相对高 的功率密度(power density )(每个单位体积所生成的功率)并且可以 为PVEH单元提供相对宽的频率响应。这些特征包括专门设计的PVEH梁， 该PVEH梁不但在驱动振动的方向上从梁的基本模态(fundamental-mode)激励收获振动能量，而且还从梁的参数模态激励收获能量。参数 模态激励是垂直于驱动力(振动)的非线性谐振模态。专门设计为从参 数模态激励中收获能量的本公开的PVEH梁在此和在所附权利要求中被 习惯地称为"参数模态使能的"或者"PME"。通过改变每个PME梁的截 面特性，该梁的参数模态激励的频率是可以调谐的，以产生或者增加 PVEH单元的功率密度的效应或者产生增加该单元的有效激励带宽的效 应，或者两者兼有。除了通过对参数模态激励频率进行调谐来增加每个
ii梁的有效激励带宽以外，还可以通过提供多组PVEH梁来增加本公开的 PVEH单元的总激励带宽，其中所述组被调谐成稍微不同的频率。这通过 呈现具有六个不同调谐的六组200A-F在图2A的模块104C的上下文中 图解说明，如在视觉上分别通过梁204A-F的六个不同长度L到W所图 解说明的那样。如下面所说明的，可以以其它方式来提供不同的调谐， 诸如为不同组中的梁204A-F提供不同的检测质量(proof mass )(图2B 和2C中的228 )和改变的长度L,到Lp的组合，以及提供不同检测质量，等等。
在说明PME PVEH梁的几个示例之前，在图1中看出PVEH模块104A-P 相互之间和与端部模块108A-B被以堆叠和牢靠的方式配置以便于形成 集成的、自封装的单元。虽然在图1中没有详细地图解说明，但是PVEH 模块104A-P相互之间以及与端部模块108A-B是电连接的，从而可以从 输出端112、 116获得的电能是由所有PVEH模块的所有PMEPVEH梁(诸 如梁204A-F(图2A))生成的电能的和。如本领域技术人员应该理解的， PME模块可以相互以串联方式或者以并联方式电连接，这取决于PVEH 单元100的特定部署。在该再次以小尺度范围示出的示例中，每个PVEH 模块104A-P都是使用各种层沉积、去除和蚀刻技术制造的基于硅的管 芯。适用于在制造这种模块中使用的几种加工技术在下面结合图9A-P 和图IOA-B说明。该示例中的端部模块108A-B也使用类似技术制造， 并且使用合适的接合技术将各个PVEH模块104A-P和端部模块相互接 合。合适的接合技术的示例在下面结合图2B-C说明。应该注意， 一个 或两个端部模块108A-B可视特定设计而定包括整流电路和调节电路(未 示出)。
图2B-C图解i兌明图1的PVEH模块104A-B和端部模块108A-B如 何可相互牢靠地且以电地方式连接的例子。图2B图解说明图1的PVEH 模块104A-P中的三个，具体是如在形成PVEH单元100的堆叠体(图1) 期间以相互合适的关系所形成的PVEH模块104E-G。如在图2B中所看到 的，在该示例中，每个模块104E-G配有玻璃熔块(glass frit) 208， 所述玻璃熔块208在真空装配过程中被用于将模块相互接合在一起。玻 璃熔块208被以密封地封闭空腔212的方式放置，所述空腔212在PVEH 模块104E-G相互固定之后将包含梁(在这里是梁204A)。焊球216放置 在每个PVEH模块104E-G上，位于在模块之间必须形成电连接的每个位置。在该设计中，底电极220被电连接到硅衬底224。图2C示出真空装 配过程之后相互接合的上面六个模块，即端部模块108A和PVEH模块 104A-E。如在图2C中可以看到的，在包括将模块l(MA-E、 108A加热到 足够熔化玻璃熔块208和焊球216的温度的真空装配过程期间，焊球流 动并凝固以成形填充相邻模块之间的空间，由此提供相邻模块之间的电 连续性。在真空装配过程期间，在每个空腔212中形成真空，并且该真 空由熔化并凝固的玻璃熔块208提供的密封封闭所保持。
为了图解说明，下面的表格为基本类似于图1的PVEH单元100的 一组示例性小尺度PVEH单元(未示出)提供了若干相关参数的近似最 小值和最大值。与PVEH单元IOO相似，在示例性组中的各个PVEH模块 中的每一个(对应于PVEH模块104A-P中的那些模块)都是具有厚度为 675 M瓜的7. 5mm x 7. 5mm的正方形管芯，该厚度是直径为150mm的硅晶 片的典型厚度。当然可以使用其它的晶片厚度，但是675mm厚度的晶片 为产生在图2B-C中图解说明的双侧空腔212提供了足够的厚度。在该 示例中的端部模块(对应于图1的端部模块108A-B)由与用于制造PVEH 模块的晶片相同的(多个)晶片制造，因此具有相同厚度。与PVEH模 块相对应的管芯中的每一个都包括使用在下面结合图9A-P和10A-B说 明的加工技术制造的双压电晶片、分割电极PMEPVEH梁。在该示例中， 每个PVEH模块(芯片)包含八个相似调谐的组并产生0. 2V和IOOmW 的功率，其中每组具有十二个以串联方式电连接在一起的PME PVEH梁。 在该示例中，每个PVEH模块中的所有PVEH模块都以串联方式电连接以 便于使相应输出节点两端的电压最大化。因此，以串联方式电堆叠的10 个管芯在整流之后(假设0. 5V损耗)将达到1.5V和lmW的功率。这将 是7.425mm高的堆叠体，包括顶端芯片在内。类似地，4. 05mm高的堆叠 体将产生0. 5V和0. 5raW的功率，10. 8mm堆叠体将产生2. 5V和1. 5mW 的功率，20. 925mm高的堆叠体将产生5. 5V和3mW的功率等。
当然，下面表格中的值特定于该示例，用于根据在此公开的广泛概 念制造的其它PVEH单元的类似值将根据它们的尺度和构造而具有其它 值。例如，当表格中的最小和最大工作频率被分别指定为50Hz和1500Hz 时，根据在此公开的广泛原理所制造的PVEH单元和模块可以被制造为 具有其它工作频率。也就是说并且一般来讲，根据本公开制造的PVEH 单元和模块将可能需要50Hz到250Hz范围内的工作频率(带)。表格
参数最小值最大值单位
体积0. 221. 173 cm
电压0. 55. 5V
功率0. 53. 0mW
功率密度2. 272. 72mW/ cm'
加速度lglg_
频率501500Hz
带宽210Hz
注意所有值为估计值
呈现图3-5以突出本公开的PME PVEH技术与传统PVEH技术之间 的区别，以及解释采用参数模态激励所附带的概念。图3是具有宽度远 大于厚度的传统矩形截面的悬臂PVEH梁的频谱300。例如，这样的传统 PVEH梁的宽度大约是该梁厚度的50倍。图3还示意性地示出与图3-5 (以及图6-8)结合使用的悬臂梁304和坐标系308。在具有宽度远大 于厚度的传统PVEH梁中，参数模态激励基本上不存在。因此，只考虑 一次谐波，频谱300只具有基本谐振频率峰300A和一次谐波频率峰 300B，该基本谐振频率峰300A由于ZX平面中的第一弯曲模态激励在这 里在120Hz±2Hz处，该一次谐波频率峰300B由于还是在ZX平面中的 第二模态激励在这里在751. 2Hz ± 2Hz处，基本谐振频率峰300A和一次 谐波频率峰300B中的每一个都由ZX平面中的驱动振动引起。
图4分别重现了图3的频谱300和该频谱300的基频和一次谐波峰 300A-B,并且还包含六个附加峰400、 402、 406、 408、 410，这六个附 加峰是由在YZ平面中弯曲的、具有远小于图3的比(>50)的不同的宽 度厚度比的梁由于参数模态激励而生成的。再次地，参数模态激励导 致在垂直于驱动振动平面(在这里是ZX平面)的平面(在这里是YX平 面)中的弯曲。应该注意，频谱300可同等地应用于窄得多的提供参数 模态峰400、 402、 406、 408、 410的梁，因为一般地，对于特定Z方向 厚度的梁，频率响应谱不随Y方向宽度的改变而改变。
如从图4中看到的，参数模态峰400、 402、 404、 406、 408和410
14分别对应于宽度厚度比1.5、 2、 3、 4、 5和7，其中这些峰的高度随 比的增加而减小。虽然这些宽度厚度比中的任何一个或者其它类似取 值的宽度厚度比可以被采用用于参数模态振动能量收获，但是l至大 约1.5的比受到特别注意，因为在这个范围中的对应响应峰(由峰400 图解说明)与基本谐振峰300A部分重叠。 一般地，宽度厚度比将参 数模态激励的频率放入基本谐振频率的大约5Hz范围内。因此，与采用
附带参数模态激励的电路共同实施在该范围内的宽度厚度比可以被用 于拓宽PVEH装置(诸如图1的PVEH单元100)的有用带宽。应该注意， 在宽度厚度比为1处，参数模态峰值(未示出)与基本谐振峰300A 重合。因此，相对于只采用基本谐振激励的相同装置，对完全采用基本 谐振激励和参数模态激励二者的适当电路的使用可以基本上使PME PVEH装置的输出加倍。
虽然对PME PVEH梁进行调谐使得参数模态激发频率接近于该梁的 基本谐振频率对于拓宽该梁的频率响应的带宽非常有用，但是本领域的 技术人员将容易地认识到，其它参数模态调谐也可是有用的。 一般地但 是不必是限制性地，目前预想的是，可发现有用应用的(对于矩形截面 梁的)调谐从宽度厚度比为1: l变化到8: 1。例如，可存在包含两 个特定的间隔大于5Hz的固定振动频率的环境(宽度厚度比>1.5)。 在这种情况下，PME PVEH梁的基本谐振频率可以;故调谐成这两个频率中 的一个，而参数模态频率可以被调谐成另一个，例如说，通过使梁的宽 度厚度比大致从2: l到8: 1，如所要求的那样。另一示例是，宽度 厚度比可以是6. 26: 1。这可以使第二弯曲谐振模态的输出电压和功率 加倍(见一次谐波峰300A和分别对应于宽度厚度比为5: 1和7: 1 的峰408、 410)。
图4图解说明了通过采用参数模态激励来拓宽带宽的概念，而图5 图解说明如何通过提供具有稍微不同的基本谐振频率调谐的PME梁来进 一步拓宽本公开的PVEH装置(诸如图1的PVEH单元)的有效带宽。图 5示出PME PVEH梁的系统(未示出)的频率响应i普500,该系统包括 1) 一个或者多个梁，其中每个梁都在ZX平面(见图3)中被调谐成与 图3中的梁相同的基本谐振频率，即122Hz(峰500A); 2 )—个或者多 个梁，其中每个梁都在ZX平面中被调谐成具有基频lMHz (峰S00B); 以及3)—个或者多个梁，其中每个梁都在ZX平面中被调谐成具有基频130Hz (峰500C)。分别对应于基模峰500A-D的第二弯曲模态( 一次谐 波)峰500D-F针对上下文被示出，但是在设计这样的系统中通常可忽 略。除了这些ZX平面中的不同基本谐振调谐以外，每个被不同调谐的 梁配有大约为1.5的宽度厚度比(再次地，厚度在Z方向上，宽度在 Y方向上)，这产生了分别对应于基本谐振峰500A - C的参数模态激励峰 500G-I。如可以容易地看到的，添加以下效应提供了明显的带宽拓宽， 所述效应既提供多个稍微偏移的基本谐振调谐又采用对不同调谐梁的 参数模态激励。在这个示例中，中心在122Hz附近的整体拓宽的带宽为 大约20Hz。
在高品质因数(Q)的装置(诸如在很大程度上无阻尼的PVEH梁)
中的带宽拓宽对于各种原因中的任何一个或多个都是有用的。例如，对 于必须在一个温度范围内工作的PVEH装置，当梁随改变的温度而变硬 和松弛时，拓宽的带宽允许该器件以最大效率在该范围内工作。另一示 例是，拓宽带宽的装置在周围振动改变的环境中更有效。拓宽带宽的装 置还提供对于制造变化的更大容限(tolerance)并且还可以提供生产 经济性，因为单一的装置将可以在更宽的频率范围内使用，从而对于给 定大频率范围而言可以使用几个拓宽带宽的装置来代替许多带宽较窄 的装置。本领域技术人员将容易地理解并认识到可以使用在此公开的概 念来实现的带宽拓宽的这些和其它优点。
图6和7图解iJt明双压电晶片PMEPVEH梁600,其可以被用于图2 的PVEH模块的每个梁204A-F。如在图6中容易看到的，双压电晶片梁 600是一端固定另一端自由的悬臂梁。在该示例中，双压电晶片梁600 是使用与在下面结合图9A-P和10A-B图解说明的步骤类似的制造步骤 在硅晶片604上形成的小尺度结构。虽然将在本上下文中理解对双压电 晶片梁600的解释，但是本领域技术人员将容易地理解该双压电晶片梁 的基础结构可以通过相应地改变制造技术来可替换地以另一尺寸范围 执行，诸如中尺度范围。因为本领域技术人员将理解以另一尺度执行双 压电晶片梁600的结构所必需的替代制造技术，所以对于本领域技术人 员来说为了认识到本公开的广泛范围不需要在此说明那些替代技术。读 者可以参考用于解释对形成小尺度双压电晶片梁600而言合适的制造技 术的图9A-P和图IOA-B以及所附文本。
如在图7中最佳看到的，梁600被认为是"双压电晶片"，因为该梁600具有两个有区别并分开的压电层700、 704，这两个压电层700、 704位于中轴(在这里设置为与全局坐标系的Y轴708重合)的相对侧 以用于在ZX平面中弯曲。如本领域技术人员将认识到的，压电层700、 704位于中轴708的相对側，从而在ZX平面中弯曲期间，每层的总体受 到正应变(strain)或者负应变以便避免压电材料中的内部电荷抵消 (cancellation),如果单一层跨过中轴，则会发生该内部电荷抵消。 如果任一压电层700、 704在ZX平面弯曲期间跨过中轴，则该层的一部 分会具有正应变而另 一部分会具有负应变，使得产生的电荷相互抵消。 在该示例中，这些层中的每一个都净皮分成两部分700A-B、 704A-B， 其中部分700A、 704A落在YX平面弯曲的中轴(在这里，为了方便起见 设置为与Z轴712重合)的一侧，而部分700B、 704B落在中轴712的 另一侧。以这种方式分割压电层700、 704的原因是防止参数模态弯曲 中的电荷抵消，如果这些层持续跨过中轴712，则会发生该电荷抵消。 如在图7中容易看到的，压电部分700A、 704B、 7(MB、 700A可以被_认 为是分别落入由中轴708、 712限定的象限Q1到Q4。就此而言，应该注 意，虽然参数模态弯曲发生在垂直于基本模态弯曲平面(ZX平面)的 YZ平面中，但是在足够的驱动振动影响下双压电晶片梁600的自由端的 实际运行本质上是环形的(circular),因此，压电部分700A-B、 704A-B
的象限化提供了逐个象限地从这些部分收获电荷的有效途径。例如，当 双压电晶片梁600的弯曲仅仅在ZX平面中(即绕Y轴708 )时，压电部 分70OA-B将相互以 一个极性同等地受到应变而压电部分7 04A-B将相互 以相反极性同等地受到应变。当双压电晶片梁600的弯曲仅仅在YX平 面中(即绕Z轴712)时，压电部分700A、 704A将相互以一个极性同等 地受到应变而压电部分700B、 704B将相互以相反极性同等地受到应变。 当双压电晶片梁600的弯曲在围绕X轴716旋转到YX平面与ZX平面之 间的某角度的平面中时，压电部分700A、 704B或者压电部分700B、 704A 将具有最大和最小的相反极性应变或压电部分700B、 704A，这取决于该 平面的位置。
仍参考图7，双压电晶片梁600包括三个电极层720、 724、 728， 这三个电极层被分成单个的电极720A-B、 724A-B、 728A-B以便于逐个 象限地从压电部分700A-B、 700A-B中的相应的各个压电部分收获电荷。 将电极层720、 724、 728分成单个电极720A-B、 724A-B、 728A-B的事实是产生术语"分割电极"的原因，该"分割电极"被用于说明具有该
类型结构的本公开的PME PVEH梁。然而应该注意，术语"分割电极" 不限于单一层或大的电极在随后的制造步骤期间被分割的情况。而是， 术语"分割电极"还适用于分开形成的电极被提供在中轴712的相对侧 上的情况。换句话说，"分割电极"概念适用于参数模态电荷收获电极 相互分离的事实，而不是这些电极是如何形成的。
更具体地与电极720A-B、 724A-B、 728A-B的功能有关，电极720A、 724A在从象限Ql中的压电部分700A收获电荷期间是工作的(act ive )， 电极724A、 728A在从象限Q2中的压电部分704A收获电荷期间是工作 的，电极724B、 728B在从象限Q3中的压电部分704A收获电荷期间是 工作的，而电极720B、 724B在从象限Q4中的压电部分704A收获电荷 期间是有效的。如可以容易地看到的，电极724A-B每个都跨过中轴712， 由此提供相应的各个压电部分700A-B、 704A-B与中轴712的分离，这 种分离导致避免了如上所述的电荷分离。参考图6，双压电晶片梁600 配有分别对应于电极层720、 724、 728的接触608、 612、 616以用于将 从压电部分700A-B、 704A-B (图7)收集来的电荷传送给适当的电荷收 集电路(未示出)。
仍参考图6,在该实施例中，双压电晶片梁600具有位于接近于梁 的自由端的检测质量620。提供检测质量620以降低双压电晶片梁600 的调谐，并且增加梁的功率输出。在另一实施例中，根本不需要提供检 测质量，而在又一实施例中，可例如在沿双压电晶片梁的不同位置处提 供多于一个检测质量。如本领域技术人员将容易地认识到的，可以通过 改变若干参数中的任何一个或多个来对双压电晶片梁600进行调谐，该 若干参数诸如是梁的截面形状、梁的截面尺寸、梁的长度(示例性厚度)、 (多个)检测质量的质量(如果有的话)、(多个)检测质量在梁上的(多 个)位置以及用于制造梁的材料。
如上面所提到的，使用硅晶片604作为衬底来制造双压电压晶片梁 600。在制造双压电晶片梁600期间，根据已知技术来沉积并蚀刻各个 层，诸如电极层720、 724、 728和压电层700、 704。为了产生自由端部 的悬臂双压电晶片梁600，其中一个制造步骤中涉及蚀刻掉硅晶片604 的一部分以产生梁下面的空腔624，并且产生任何相邻的(多个)双压 电晶片梁之间或者晶片的其它横向相邻部分之间的分离。再次地，在下面结合图9A-P和10A-B来说明可以被用于制造双压电晶片梁600的制 造步骤的示例。
参考图7并且还参考图6，包括在该示例的双压电晶片梁600中的 其它层包括基层732、可选第一绝缘层736、可选侧电极层740和第二 绝缘层744。提供基层732以用于形成空腔634,并且基层732是该过 程的人工产物(artifact )。如果提供可选侧电极层740，则提供第一绝 缘层736。侧电极层740 (如果提供的话)被形成图案(patterned)并 被蚀刻以提供可在参数模态电荷收获中使用的可选侧电极740A-D。如果 提供的话，每个侧电极740A-D表现得像电容器的电荷板(charge plate) 一样，其中第一绝缘层736起到电容器的电介质的作用，而压电部分 700A-B、 704A-B中的压电部分起到另 一 电荷板的作用。可选侧电极 740A-D可由任何合适的导电材料制造，诸如上面提到的与电极层720、 724、 728相关的材料中的任何一种。第二绝缘层744被提供作为保护层 并作为应力补偿层以补偿在制造期间由其它层导入到双压电晶片梁600 中的应力。
在具体图解说明的、但决不是限制性的示例中，双压电晶片600的 各个层由下列材料制造并具有下列厚度基层732是具有厚度0.5卩迈 的硅晶片604的热氧化物；电极层728是具有厚度1. Oym的钼(Mo) 层；压电层704是具有厚度1. 0nm的氮化铝(A1N)层；电极层724是 具有厚度0. 5 ym的Mo层；压电层700是具有厚度1. Opm的A1N层； 电极层720是具有厚度0. 2ym的Mo层；第一绝缘层736是具有0. 1 p m 到0. 2pm厚度的PECVD氧化层；侧电极层740是具有厚度0. 2卩m的Mo 层；以及第二绝缘层744是具有厚度1.8 Mm的PECVD氧化层。当然， 在其它实施例中，尺寸可改变。就此而言，应该注意，在此使用的所有 厚度和尺寸都是说明性的，并且可以增加或者减少。例如，增加本公开 PVEH单元(诸如图1的PVEH单元100)的体积将增加输出功率和电压 (虽然电压只取决于(多个)压电层的厚度和长度)，但是如果做得正 确，谐振频率可以保持不变或者在期望时改变。增加PVEH单元的体积 的缺点在于，从单个晶片中可能制造的模块/芯片更少，因此增加了每 个管芯的成本。
还应该注意，可以通过改变各个层的厚度来上下(相对于图7)调 整中轴712的位置。出于清楚目的还应该注意，压电部分700A-B、7(MA-B的成角度侧壁和随后沉积的层只是用于形成分割电极结构的蚀刻技术 的人工产物。在其它实施例中，可以通过选择适当的制造技术来消除这
些成角度的侧壁，同样可以消除两个堆叠体748、 752之间的相对宽的 间隔以及也是所使用特定制造工艺的人工产物的突出部分(overhang) 756、 760。
图6和7图解说明双压电晶片分割电极PME PVEH梁600的示例， 而图8图解说明这样的梁的单体电晶片版本800。如在图8中所看到的， 当单体电晶片梁8 00被制造成相同的小尺度并使用与图6和7的双压电 晶片梁600相同的制造工艺来制造时，单体电晶片梁800可被构造得与 双压电晶片梁600非常类似。然而，代替于具有两个压电层700、 704 (图7)和三个电极层720、 724、 728，图8的单体电晶片梁800只具 有单个压电层804和一对在其间夹入该压电层的电极层808、 812。这些 层804、 808、 812中的每一个都被水平地"分割，，(相对于图8)以便提 供两个单体电晶片电荷发生器816、 820，这两个单体电晶片电荷发生器 816、820出于上面讨论的与从梁800的参数模态激发收获电荷有关的原 因相互电解耦。在该示例中，基本谐振激励发生在ZX平面中，而参数 模态激发发生在YZ平面中，如在图6和7的双压电晶片梁600中那样。 对于层804、 808、 812的分割，堆叠体816包含压电部分804A和相应 电极808A、 812A,而堆叠体820包含压电部分804B和相应电极808B、 812B。
为了避免在ZX平面中弯曲期间压电层804内的电荷抵消，对单体 电晶片梁800的各个层的厚度进行选择，使得压电层的总体位于中弯曲 轴的一侧或者另一侧，在这里出于方便将全局坐标系的Y轴824设为该 中弯曲轴。以这种方式，在ZX平面弯曲期间，压电层8(M的总体受到 正应变或者负应变。类似于图6和7的双压电晶片梁600，通过分割层 804、 808、 812来避免压电层804内的电荷抵消，从而堆叠体816、 820 位于中轴(在这里是全局Z轴826 )的相对侧。
可超过单体电晶片梁800的固定端将电极808A-B相互电连接(tie) (见图6，其可以被用于预想单体电晶片梁800的悬臂结构)，同样也可 超过单体电晶片梁800的固定端将电极8UA-B相互电连接。然后，可 用类似于双压电晶片梁600的电接触608、 612、 616 (图6)的方式向 单体电晶片梁800提供电接触(未示出)。如双压电晶片梁600，单体电晶片梁800可具有除了压电和电极层 804、 808、 812以外的各个层。在该示例中，这样的附加层包括基层828、 可选第一绝缘层832、可选侧电极层836和第二绝缘层840。基层828 是用于形成单体电晶片梁800的工艺的人工产物并为堆叠体816、 820 提供统一基础。如果提供可选侧电极层836，则提供第一绝缘层832。 侧电极层836 (如果提供的话)被形成图案并被蚀刻以提供可在参数模 态电荷收获中使用的可选側电极836A-D。如果提供的话，每个侧电极 836A-D表现得像电容器的电荷板一样，其中第一绝缘层832起到电容器 的电介质的作用，而压电部分804A-B中的压电部分起到另一电荷板的 作用。可选侧电极836A-D可由任何合适的导电材料制造，诸如上面提 到的与图6和7的双压电晶片梁600的电极层720、 724、 728相关的材 料中的任何一种。第二绝缘层840被提供作为保护层并作为应力补偿层 以补偿在制造期间由其它层导入到双压电晶片梁600中的应力。在该示 例中，第一和第二绝缘层832、 840是通过等离子体增强化学汽相沉积 (PECVD)形成的氧化物。
在具体图解说明的、但决不是限制性的示例中，单体电晶片800 的各个层由下列材料制造并具有下列厚度基层828是具有厚度2.0Mm 的原硅晶片(见图6和7以及所附文本)的热氧化物；电极层812是具 有厚度1. Oym的Mo层；压电层804是具有厚度1. 0 m m的A1N层；电 极层808是具有厚度0. 2 m m的Mo层；第一绝缘层832是具有厚度0. 2 Mm的PECVD氧化层；侧电极层836是具有厚度0. 1 jli m的Mo层；以及 第二绝缘层840是具有厚度1. 3jim的PECVD氧化层。当然，在其它实 施例中，尺寸可改变。出于清楚目的应该注意，压电部分804A-B的成 角度侧壁和随后沉积的层只是用于形成分割电极结构的蚀刻技术的人 工产物。在其它实施例中，可以通过选择适当的制造技术来消除这些成 角度的侧壁，同样可以消除两个堆叠体816、 820之间的相对宽的间隔 以及也是所使用特定制造工艺人工产物的突出部分844、 848。
虽然没有示出，但是如果期望或者需要，单体电晶片800可以类似 于图6和7的双压电晶片梁600的方式包括一个或者多个检测质量。此 外，可使用一个或者多个上面提到的与双压电晶片梁600相关的技术来 将单体电晶片梁800调谐成基本谐振响应。另外，可以通过改变梁的宽 度W'与梁的厚度T'(假设基本上是矩形截面形状)的比来调谐单体电晶片梁800的参数模态响应，如上面结合图4所说明的那样。在上面说明 的单体电晶片悬臂梁800的示例性小尺度构造中，梁的向上巻曲作为应 变的结果而发生，该应变由压电层804导入到梁的上部。可以使用适当 的技术将该巻曲控制在容许限度内。应该注意，图6和7的双压电晶片 梁600由于压电层700、 704存在于ZX弯曲中轴708的相对侧而具有较 少的巻曲趋势。
图9A-P图解说明了可以被用于制造小尺度悬臂单体电晶片PME PVEH梁(诸如图8的梁800 )以及实际上整个小尺度PVEH模块(诸如 图1和2的模块104A-P中的任何一个)的步骤。在步骤900 (图9A)， 提供硅衬底902。硅衬底902可具有任何晶体定向、任何掺杂类型以及 掺杂浓度。在步骤904 (图9B)，向衬底902提供基层906。基层906 分别对应于图8的基层828，并且如上面所提到的，被用作蚀刻停止层 以产生梁800 (图8)的悬臂。基层906可以是例如1)热生长二氧化 硅(Si02); 2 )低压化学汽相沉积(LPCVD )或者等离子体增强CVD( PECVD ) 硅氧化物(SiOx， X</=2);或者低应力富硅氮化物(SixNY， XO，Y<4)。 可以将基层906提供给硅衬底902的两侧以平衡薄膜应力。
在步骤908 (图9C)，金属层910经由溅射(sputter )或者蒸发被 沉积在衬底902的一侧上。金属层910对应于图8的单体电晶片梁800 的电极层812。在步骤912，压电层914被沉积在衬底902的一侧上。 用于该层914的压电材料例如可以是A1N (通过濺射沉积)、锆钬酸铅 (PZT)(经由溶胶凝胶工艺或者濺射来沉积)、聚偏氟乙烯(PVDF)(经 由溶胶凝胶工艺沉积)以及氧化锌(ZnO)(经由溅射沉积)中的任何一 种。在步骤916(图9E)，对应于图8的单体电晶片梁800的电极层808 的第二金属层918被经由溅射或者蒸发沉积。
在步骤920 (图9F),第二金属层918被例如使用光刻图案形成技 术而形成图案，并然后被使用湿法蚀刻或者干法活性离子蚀刻(RIE) 进行蚀刻。在步骤922 (图9G)，使用湿法蚀刻或者干法RIE对压电层 914进行蚀刻。如果AlN^t用于压电层914而Mo被用于金属层910、 918， 则可以使用湿氢氧化钾(KOH)工艺。在这种情况下，来自步骤920的 图案形成的光致抗蚀剂(photoresist )(未示出)在KOH蚀刻之前被剥 离，并且金属层910、 918的Mo被用作硬掩膜。A1N在K0H中各向异性 地进行蚀刻，并且形成相对于上面图7和8中的每一个被突出(highlighted)的成角度的壁。在步骤924 (图9H )， 4吏用湿法蚀刻或 者干法RIE对金属层910进行蚀刻。在刚提到的Mo示例中，Mo使用RIE。
在步骤926 (图91),沉积对应于图8的单体电晶片梁800的第一 绝缘层836的第一上电介质928。电介质928可以例如是沉积的LPCVD 或PECVD氧化硅(Si0x)或者氮化硅(SixNY)。通常，由于与其它产品 的膜的金属交叉污染，不将金属放入LPCVD熔炉。然而，如果使用专用 LPCVD系统并且金属熔点高(钨和Mo的熔点高而金的熔点低)，则可以 这样做。在该示例中，第一上电介质928被沉积在衬底902的两侧上以 平衡薄膜应力。在步骤930 (图9J)，使用湿法蚀刻或者RIE对第一上 电介质928进行蚀刻。
如果提供对应于图8中单体电晶片梁800的侧电极840A-D的侧电 极，则可以执行可选步骤932 (图9K)。在步骤932中，金属层934被 例如经由濺射或者蒸发进行沉积，然后被形成图案并被蚀刻以形成侧电 极938。如果不提供侧电极938，则分别消除步骤932和图91 - J的步 骤926、 930中的任何一个，或者分别消除图9L-M的步骤940、 942。 在形成侧电极938 (如果有的话)之后，执行步骤940 (图9L)、 942 (图 9M)。在步骤940，沉积第二上电介质944，该第二上电介质9"对应于 图8的单体电晶片梁800的第二绝缘层840。电介质944例如可以是上 面提到的与第一上电介质928相关的材料中的任何一种。在该示例中， 第二上电介质944被沉积到衬底902的两侧上以平衡薄膜应力。在步骤 942 (图9M)，使用湿法蚀刻或者RIE对第二上电介质944进行蚀刻。
在步骤946 (图9N)，提供电接触948、 950和互连布线(未示出)。 通常，虽然不是必要的，电接触948、 950将是具有大约2%硅的铝以阻 止由于电流流动导致的电迁移。可例如通过或者是光金属沉积(蒸发) 剥离工艺或者是通过沉积(蒸发和溅射)和湿法蚀刻或RIE来提供接触 948、 950和布线。在步骤952 (图90)，使用合适的方法来形成检测质 量954。 一般地，电镀是用于实现大约10pm到大约100jLim范围内厚 的金属沉积的最佳方法。蒸发受限于小于大约3Mm的厚度。
在步骤956(图9P),悬臂梁958的前体(precursor )净皮从衬底902 释放以形成悬臂。在该示例中，使用背侧释放法来形成悬臂梁958，该 背侧释放法涉及图案形成以及蚀刻穿过第二和第一电介质"4、 928以 及背侧基层906，并然后执行深RIE (DRIE)穿过衬底902直到前侧基层的底侧。
图IOA-B图解说明了释放悬臂梁的前体结构的两个替代方法，这两 个替代方法都涉及从组件的前侧而不是从正如关于图9P所说明的那样 从背侧进行蚀刻。在图10A中，从组件1000的前侧执行各向同性的硅 蚀刻以形成悬臂梁1008下方的空腔1004。例如，可使用各向同性地对 硅进行蚀刻但是不侵蚀其它材料的基于氟的蚀刻剂，诸如气态氟化氙
(XeF2)或者六氟化硫(SF6)。在这种类型的方法中，空腔1004可限制 悬臂梁1008的自由端的上下运动，但是该空腔为晶片尺度的封装提供 隔离并且该空腔提供可以用于预防梁的过度折曲(过度应变)的底部停 止(bottomstop)。在这种情况下，由于不对称性导致的某种向上的巻 曲可期望以用于"调谐"悬臂梁1008的自由端的运动范围。
图10B图解说明释放悬臂梁1012的前体的另一前侧方法。在该方 法中，代替作为传统的非绝缘体上硅(non-SOI )的衬底902 (图9A )， 可以使用具有掩埋氧化物(BOX)层1020的SOI衬底1016。在该方法中， BOX层1020起到蚀刻停止层的作用以精确地控制在从SOI衬底1016的 前侧进行各向同性的蚀刻期间所形成的空腔1024的深度。正如使用图 10A的方法那样，可使用各向同性地对硅进行蚀刻但是不侵蚀其它材料 的基于氟的蚀刻剂，诸如气态XeF2或者SF6。在这里，同样地，由于不 对称性导致的某种向上的巻曲可期望以用于"调谐，，悬臂梁1012的自 由端的运动范围。
虽然图9A-P和图10A-B的制造技术针对制造单体电晶片梁958、 1008、 1012，但是可以容易地扩展这些技术以用于产生类似于图6和7 的双压电晶片梁600的双压电晶片梁。例如，不是在第二金属层的蒸发
(步骤916，图9E)之后就对第二金属层918、第一压电层914和第一 金属层910形成图案和蚀刻(图9F-H的步骤920、 922、 924 )，而是代 替地，在继续对第一上电介质928进行蒸发(如图91的步骤926 )之前， 可以在第二金属层上沉积第二压电层(未示出，但是对应于图7的压电 层700 )和第三金属层(也未示出，但是对应于图7的电极层712)，。 然后，蚀刻从第三金属层开始向下进行到(并且包括)第一金属层910。 在该过程中期间，可期望改变上电介质944、 "8和基层906的厚度以 如所期望或需要那样平衡应力并控制巻曲。
如上面所提到的，根据上面公开的概念制造的PVEH单元可用于各解说明了包含独
立电源1104的示例性无线传感器1100，该电源1104包括一般地与图1 的PVEH单元具有类似构造的PVEH单元1108。即，PVEH单元1108包括 多组(未示出)PME梁(未示出)。虽然未示出，这些组可以、但不是必 须地与图2A的组200A-E类似地布置，并且每个PME梁例如可与图6和 7中示出的双压电晶片梁600或者图8中示出的单体电晶片梁800类似。 在该示例中，PVEH单元1108具有PME梁，这些PME梁具有以上面关于 图4和5说明的方式进行调谐的三种不同调谐，以便拓宽PVEH单元在 目标频率附近的有效带宽。在图11中，类调谐(like-tuned)的梁被 识别为第一组1112、第二组1116和第三组1120,并且这些组具有相应 的各个不同基本谐振频率 V Bl、 "V B2, V B2 和相应的各个不同参数模态频率
V pi、V P2'V P2。
为了优化电源1104的性能，使用合适的隔离电路来使相似调谐的 梁的组1112、 1116、 1120相互电隔离，该合适的隔离电路例如诸如是 阻止任何非工作组(例如，因为这些非工作组未被周围的驱动振动充分 激励)从(多个)工作组排出电能的相应的各个全桥整流器1124、 1128、 1132(在这里，作为示例的是二极管整流器)。以这种方式，从PVEH单 元1108输出最大量功率。本领域技术人员将理解，可使用其它的隔离 电路。电源1104还包括存储由PVEH单元1108所收集的电能以供其它 在无线传感器上的电子系统使用的一个或多个电存储装置1136。每个电 存储装置1136都可以是任何合适的可再充电的装置和锂离子电池等等， 该合适的可再充电的装置例如诸如是超级电容器(也被称为"超高电容 器")或者可再充电电池。在该示例中，电源1104只具有用于从一个方 向上的驱动周围振动收集振动的单个PVEH单元1108。应该注意，可以 在一个或多个不同定向上提供一个或多个附加的、类PVEH的单元(未 示出)以用于收集其它方向上的振动。
在该示例中，当温度传感器的应用需要时，无线传感器1100包括 一个或多个转换器(transducer) 1140,诸如压力转换器、加速计、温 度探头等。无线传感器1100进一步包括用于控制无线传感器的运行的 微控制器1144以及用于允许无线传感器与一个或多个其它装置通信的 无线电发射器或者收发器1148，一个或多个其它装置诸如是另一类无线 传感器、中继器、信息收集节点装置或者基站装置等等。除了微控制器1144以外或者替代微控制器1144，如果期望，无线传感器1100可包括
向无线传感器提供更高级数据处理功能的一个或多个微处理器。在该实 施例中，电源1104向每个转换器1140、微控制器11"(或者微处理器) 以及收发器1148提供电能。本领域技术人员将理解，每个转换器1140、 微控制器1144 (或者微处理器)以及收发器1148都可以以传统设计得 到，并因此不需要在此详细"^兌明。
图12图解说明了包括多个传感器节点1204A-G和中央站1208的无 线传感器网络1200。该示例中的传感器节点1204A-G中的每一个都包括 独立的PME PVEH电源(未示出)并且类似于图11的无线传感器1100。 在该示例中，传感器节点1204A-F可被认为是终端节点，而传感器节点 1204G可被认为是中间节点。在该上下文中，终端节点一般只收集其自 身感测到的数据并且将该数据传输给任一另外的节点(诸如中间传感器 1204G)或者中央站1208。根据网络是推进式(push type)还是牵引式 (pull type)(和/或出于其它原因)，终端节点还可从中央站l208或 者另外的节点(诸如中间传感器1204G)接收诸如牵引请求的信息。另 一方面，中间传感器1204G持续地接收数据(在这里从传感器节点 1204D-F),以及将数据发送给中央站1208。本领域技术人员将容易地理 解该如何配置传感器节点1204A-G和中央站l208以在具有本公开PME PVEH单元的传感器节点上下文中正常地运行。
在上面已经在附图中公开并图解说明了示例性实施例。本领域技术 人员将理解，可对在此具体公开的内容做出各种改变、省略和添加而不 会背离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种振动能量收获器，包括谐振梁，所述谐振梁具有横截面特性、第一弯曲方向上的基本谐振频率和垂直于所述第一弯曲方向的第二弯曲方向上的参数模态频率，其中选择所述截面特性以将所述基本谐振频率调谐成第一期望频率并且将所述参数模态频率调谐成第二期望频率，所述谐振梁包括压电材料，所述压电材料用于响应所述谐振梁在所述第一和第二弯曲方向中的每个方向上的弯曲而生成电能。
2. 根据权利要求1所述的振动能量收获器，其中所述谐振梁具有用于所 述第一弯曲方向的第一弯曲轴和用于所述第二弯曲方向的第二弯曲轴，所述 第一和第二弯曲轴限定第一、第二、第三和第四象限，从而所述第一和第二 象限在所述第一弯曲轴的相对側上相互相对，所述第二和第三象限在所述第 二弯曲轴的相对侧上相互相对，所述谐振器进一步包括相互间隔并且位于第 一、第二、第三和第四象限中的对应的各个所述象限中的第一、第二、第三 和第四电极。
3. 根据权利要求2所述的振动能量收获器，其中所述压电材料的第一 部分位于所述第一和第二电极之间，所述压电材料的第二部分位于所述第 三和笫四电极之间。
4. 根据权利要求3所述的振动能量收获器，其中所述压电材料的所述 第一和第二部分相互间隔。
5. 根据权利要求2所述的振动能量收获器，进一步包括位于所述第一 和第二电极之间并与所述第一和第二电极间隔的第五电极以及位于所述第 三和第四电极之间并与所述第三和第四电极间隔的笫六电极，其中所述压 电材料的第一部分位于所述第一和第五电极之间，所述压电材料的第二部 分位于所述第四和第六电极之间，所述压电材料的第三部分位于所述笫五 和第二电极之间并且所述压电材料的第四部分位于所述第六和第三电极之 间。
6. 根据权利要求5所述的振动能量收获器，其中所述第一和第二部分 相互间隔并且所述第三和第四电极相互间隔。
7. 根据权利要求5所述的振动能量收获器，其中所述第五和第六电极 中的每一个跨过所述第一弯曲轴。
8. 根据权利要求5所述的振动能量收获器，进一步包括与所述第一、 第二、第三、第四、第五和第六电极中的每一个电通信的收获电路，并且 被配置为用于从所述第一、第二、第三和第四象限中的每一个相互独立地 收获所述电能。
9. 根据权利要求1所述的振动能量收获器,其中所述谐振梁是悬臂梁。
10. 根据权利要求1所述的振动能量收获器，其中所述基本谐振频率 位于50Hz到1500Hz范围内。
11. 根据权利要求10所述的振动能量收获器，其中所述基本谐振频率 位于50Hz到250Hz范围内。
12. 根据权利要求1所述的振动能量收获器，其中选择所述谐振梁的 横截面特性，从而所述参数模态频率落入所述基本谐振频率的5Hz范围内。
13. 根据权利要求1所述的振动能量收获器，其中所述横截面特性包 括平行于所述第一弯曲方向的方向上的厚度以及平行于所述第二弯曲方向 的方向上的厚度，其中所述宽度在所述厚度的1到8倍范围内。
14. 根据权利要求13所述的振动能量收获器，其中所述宽度在所述厚 度的l到3倍范围内。
15. —种振动能量收获单元，包括相互电连接的多个压电振动能量收获(PVEH)模块，其中所述PVEH 模块中的每一个包括多个参数模态使能(PME)的PVEH梁，每个所述PME PVEH梁被配置为从基本谐振激励和参数模态激励中的每一个收获电荷。
16. 根据权利要求15所述的振动能量收获单元，其中所述PME PVEH 梁的每一个具有参数模态弯曲中轴并且包括位于所述 模态弯曲中轴的 相对侧上的第一和第二压电/电极堆叠体。
17. 根据权利要求16所述的振动能量收获单元，其中所述第一压电/电极 堆叠体包括第一多个电极并且所述第二压电/电极堆叠体包括第二多个电极， 所述第二多个电极横过所述参数模态弯曲中轴与所迷第 一多个电极间隔。
18. 根据权利要求16所述的振动能量收获单元，其中所述多个PME PVEH 梁中的每一个是双压电晶片压电梁。
19. 根据权利要求15所述的振动能量收获单元，其中所述多个PVEH 模块中的每一个的所述多个PME PVEH梁沿着公共面布置，并且所述多个 PVEH模块牢靠地在垂直于所述公共面的方向上相互堆叠。
20. 根据权利要求15所述的振动能量收获单元，其中以多个具有相应 的各个不同调谐的组来提供所述多个PMEPVEH梁，其中所述不同调谐包括 不同的基本谐振频率和不同的参数模态频率。
21. 根据权利要求20所述的振动能量收获单元，其中所述不同的基本 谐振频率中的频率与所述不同的基本谐振频率中的任何紧邻的一个频率相 差小于5Hz。
22. 根据权利要求21所述的振动能量收获单元，其中所述不同的参数 模态频率中的频率与所述不同的基本谐振频率中的相应的各个频率相差小 于5Hz。
23. 根据权利要求15所述的振动能量收获单元，其中所述多个PME PVEH梁中的每一个具有所述基本谐振频率的5Hz范围内的基本谐振频率和 参数模态频率。
24. —种无线传感器，包括用于收集数据的转换器；用于将所述数据传输给与所述无线传感器间隔的接收器的无线发射 器；以及与所述转换器和所述无线传感器电通信的参数模态使能(PME)的压电振动能量收获(PVEH)电源，所述PMEPVEH电源被配置为在使用时在 所述无线传感器周围的环境中收集振动能量以便生成电能以供在使用期间 为所述转换器和所述无线发射器供电。
25. 根据权利要求24所述的无线传感器，其中所述PME PVEH电源包 括多个谐振梁，每个谐振梁具有参数模态弯曲中轴并且包括位于所述* 模态弯曲中轴的相对侧上的第一和第二压电/电极堆叠体。
26. 根据权利要求25所述的无线传感器，其中所述第一压电/电极堆 叠体包括第一多个电极并且所述第二压电/电极堆叠体包括第二多个电极， 所述第二多个电极横过所述参数模态弯曲中轴与所述第 一多个电极间隔。
27. 根据权利要求25所述的无线传感器，其中所述多个梁中的每一个是 双压电晶片压电梁。
28. 根据权利要求23所述的无线传感器，其中所述PMEPVEH电源包括多 个模块，每个模块具有多个谐振梁，并且所述多个模块中的每一个的所述多 个梁中的梁沿着公共面布置，并且所述多个模块牢靠地在垂直于所述公共面 的方向上相互堆叠。
29. 根据权利要求23所述的无线传感器，其中所述PME PVEH电源包括在多个组中所提供的多个谐振梁，所述多个组具有相应的各个不同调谐，其 中所述不同调谐包括不同的基本谐振频率和不同的参数模态频率。
30. 根据权利要求28所述的无线传感器，其中所述不同的基本谐振频率 中的频率与所述不同的基本谐振频率中的任何紧邻的一个频率相差小于 5Hz。
31. 根据权利要求29所述的无线传感器，其中所述不同的参数模态频 率中的频率与所述不同的基本谐振频率的相应的各个频率相差小于5Hz。
32. 根据权利要求24所述的无线传感器，其中所述PMEPVEH电源包括 多个谐振梁，每个谐振梁具有基本谐振频率和所述基本谐振频率的5Hz范 围内的参数模态频率。
33. —种无线传感器网络，包括根据权利要求24所述的多个无线传感器。
全文摘要
振动能量收获(VEH)的结构包括谐振梁，每个谐振梁具有基本谐振频率和参数模态频率；并且包括用于响应该梁的基本谐振激励和参数模态激励中的每一个而生成电荷的至少一个压电层。提供电路以用于从谐振梁收获电荷。在某些实施例中，该梁的参数模态频率被调谐成接近该梁的基本谐振频率以便增加VEH结构的有效带宽。可以通过将多个参数模态使能的谐振梁中的谐振梁调谐成稍微不同的基本谐振频率和参数模态频率来进一步增加VEH结构的有效带宽。
文档编号H01L41/00GK101641804SQ200880009115
公开日2010年2月3日 申请日期2008年3月21日 优先权日2007年3月21日
发明者J·吴, R·G·安多斯卡 申请人:佛蒙特大学及州立农业学院