多单元阵列能量采集系统的制作方法

本发明涉及到宽频动能采集系统。本发明能有效地将低频宽带振动动能转换为电能，并将该电能存储以供无线传感器，便携式或穿戴式电子设备，或道路照明系统之用。本发明也可以安装在车辆上，与特定设计的大电容器和可充电电池一起将回收的能量用于燃油车辆的启动，或作为电动车辆或混合动力车辆的补充电源。

背景技术：

尽管电池技术和降低无线传感器的功耗降低及缩小尺寸等方面取得了很多进步，但无线传感器的应用仍然受制于电池的频繁更换或频繁充电。同时，常规电池含有许多有害物质，在使用过程中会产生有毒的副产物和释放危险气体，因此常规电池本身并不环保。无源无线传感器在诸如人的看护，健康监测，环境监测，和生物医药传感与探测等应用方面是不可或缺的组成部分，其电源可由嵌入式宽频动能采集系统有效地将低频宽带振动动能(典型的小于80hz的振动动能)转换为电能并存储提供。嵌入式宽频动能采集系统可以随着无线传感器尺寸的缩小而小型化。

便携式或穿戴式电子设备正在改变我们的生活。随着cpu和gpu的设计优化，他们已经能实现越来越多的功能。所有这些由充电电池提供电源的设备均需频繁充电。在电池失效的情况下，如果有集合于便携式或穿戴式电子设备中的能量采集系统能连续有效的从使用者的运动中提取存储能量为之应急之用将会非常受欢迎。

全球气候变化是当今人类共同面临的巨大环境和人道危机。基于太阳能和风能的绿色能源技术已经推广多年，但也显现了他们的局限性。依赖于硅晶圆制造的太阳能技术，其制造过程并不环保。而风电又需要大量的基础投资。埋置于城市道路中的中型宽频动能采集系统是一种很重要的绿色环保技术，可采集和存储由城市交通等引起的道路振动动能而用于城市道路照明系统，以利于温室气体减排并帮助我们迎战全球气候变化。

基于机械的线性质量-弹簧振荡器设计的典型的能量采集系可将由环境引起的振动动能转换为电能，但其转换效率受制于其共振频率。大部分市场上商用的能量采集系统都只有非常窄的能量转换带宽，因此，仅有一小部分宽频振动动能被转换为电能。增宽能量转换带宽成为提高能量采集系转换效率的关键。其中一条技术路径是将能量采集系统由纯线性设计改为非线性设计(b.p.mannandn.d.sims，journalofsoundandvibration319，515-530，2009)。图1(a)和(b)给出了一种非线性设计能量采集器的示意图和它的力与位移的非线性关系。图1(c)比较了线性与非线性能量采集器的功率输出振动频率响应(c.lee，d.stamp，n.kapania，j.o.mur-miranda，proc.ofspievol.7683，76830y)。由c.lee等完成的模拟与实验数据均显示非线性振荡器设计存在跳跃频率。越过跳跃频率后，非线性振荡器有多重稳态存在，其对外界宽频随机刺激的响应趋于低能稳态。为了维持非线性振荡器工作于高能稳态，需要外界不断的扰动干预。非线性振荡器的这个缺陷限制了其作为低频宽带振动动能采集器的应用。

本专利发明了伪线性振荡器单元列阵多功能宽频能量采集系统。每个伪线性振荡器单元工作于自己的特定共振频率，并与其它单元区分。所有单元一起工作将较宽频率振动动能有效地转换为电能。

技术实现要素：

本专利发明了一种新的由微型伪线性振荡器(相对于系统尺寸而言)列阵构成的宽频动能采集系统。每个伪线性振荡器作为一个单独的能量采集器单元工作于特定的工作频率，由一个几百匝平面感应线圈和精巧设计的磁悬浮机构支持下的可自由移动的悬浮永磁体构成。由法拉第电磁感应定律可知，任何由环境振动等引起的悬浮永磁体与线圈之间的相对运动均能在线圈中产生电流。因此，每个能量采集器单元能有效地将其共振频率附近的振动动能转换成电能。每个单元工作于自己的特定共振频率，并与其它单元区分。所有单元阵列一起构成一个宽频能量采集系统，将较宽频率振动动能有效地转换为电能。一组内置的振荡频率与伪线性振荡器工作相匹配的简单rc电路可根据电路效率要求灵活置于振荡器底部或顶部。

本发明的宽频动能采集系统具有轻薄外形，可以由半导体和微电机系统(mems)晶圆工艺大规模生产。该系统可以很容易地与无线传感器，便携式和可穿戴电子设备集成在一起，或作为一个独立的装置为这些设备提供电源。本发明的宽频动能采集系统，特别是核心设计部分，可以扩大用于采集和存储由城市交通等引起的道路振动动能以供城市道路照明系统之用。

本发明的宽频动能采集系统亦可安装于车辆上收集和存储车辆运动时浪费的动能。该系统与特定设计的大容量电容和可充电电池一起作为独立配件或额外内置的电池故障安全系统可为燃油车辆的启动提供电源，或用作电动车辆或混合动力车辆的补充电源。

本发明独特新颖的磁悬浮设计使运动部件脱离与静止表面的接触，减少了摩擦引起的能量损失。

附图说明

图1：非线性设计能量采集器示意图(a)，力与位移的非线性关系(b)，和非线性能量采集器与线性能量采集器的功率输出振动频率响应(c)(c.lee，d.stamp，n.kapania，j.o.mur-miranda，proc.ofspievol.7683，76830y)。

图2：本发明中的一种宽频动能采集系统。(a)单层能量采集器单元设计；(b)多层能量采集器单元设计；(c)多单元功率输出振动频率响应叠加示意图。

图3：一种微型能量采集单元(伪线性振荡器)设计示意图。

图4：微型能量采集单元中的悬浮永磁体的力与位移的线性响应。(a)位于平衡位置的悬浮永磁体401；(b)离开平衡位置的悬浮永磁体401；(c)悬浮永磁体401的力与位移响应(注：指向右侧的弹性恢复力定义为力的正方向)。

图5：一种可调微型能量采集单元(伪线性振荡器)设计示意图。

图6：另一种可调微型能量采集单元(伪线性振荡器)设计示意图。

图7：宽频动能采集系统与无线传感器应用的不同架构。(a)单一能量采集存储系统(ehs-ers)，单一可充电电池，和单一工作单元(wu)的能量采集系统简单应用架构；(b)单一能量采集存储系统(ehs-ers)，双可充电电池，和单一工作单元(wu)的能量采集系统应用架构；(c)自源跌倒检测系统架构；(d)双能量采集存储系统(ehs-ers)，双可充电电池，和单一工作单元(wu)的能量采集系统应用架构。

图8：基于中型宽频动能采集系统的城市道路照明系统。

具体实施方式

具体实施方式在特定设计，应用和细节方面的描述能够让任何在本领域的技术人员制造和使用本发明。很明显，任何在本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可以根据本发明中的普适原理对本发明进行各种修改。因此，本发明不旨限于示出的实施例子，而应根据此处公开的原理，特征和技术的一致性赋予最宽范围的涵盖。

图2(a)和(b)分别给出了本发明中的一种单层和多层能量采集器单元201构成的宽频动能采集系统设计示意图。为简单起见，图2(a)和(b)中略去了所有组装所需的焊接。

图2(a)给出的单层宽频动能采集系统设计中，下部组装结构202包括底座210，下侧围206，位于底座上的软磁体203，与嵌入下侧围中并与软磁体203相连的软磁体207。类似的，上部组装结构204包括顶盖211，上侧围208，位于顶盖下的软磁体205，与嵌入上侧围中并与软磁体205相连的软磁体209。一旦组装完成，软磁体205，209，207和203形成完整的磁屏蔽回路保护能量采集器单元201阵列的工作不受外界磁场的影响。同时也阻止了内部磁性结构向外的磁辐射。这一点对宽频动能采集系统在医疗器械方面的应用特别重要。能量采集器单元201阵列根据单元尺寸大小可由晶圆工艺大规模生产或由打印或电镀方式制造。每个能量采集器单元(伪线性振荡器)均设计工作于不同的共振频率。

图2(b)给出的多层宽频动能采集系统设计中，能量采集器单元被安排在由软磁性层224和225相应隔开的221，222和223等多层中。软磁性层224和225用于隔离相邻层的能量采集器单元的磁性干扰。能量采集器单元220被封闭在由顶盖226和底座227中的软磁材料形成的磁屏蔽回路中。图2(b)中给出了三层能量采集器单元的设计，但具体能量采集器单元阵列设计不局限于此，应根据具体应用而定。多层微型能量采集器单元阵列可一层一层由晶圆工艺大规模生产，亦可大规模生产单层器件，然后切割叠加而成。

图2(a)和(b)示出的每个能量采集器单元工作于自己的共振频率，与其他单元分开。所有小型化伪线性能量采集器单元阵列一起覆盖较宽频率的振动而形成一个宽频能量采集系统。图2(c)给出了这样的宽频能量采集系统多单元功率输出振动频率响应叠加示意图。

图3展示了一种微型能量采集单元(伪线性振荡器)内的关键部件设计示意图。图3(a)示出了沿图3(b)所示的b-b’线的剖面图，而图3(b)则显示沿图3(a)所示a-a’线的投影视图。能量采集单元(伪线性振荡器)由两个平面感应线圈313和328，一个中空管314，一个悬浮于中空管314中的浮动硬磁结构312，位于中空管314两头底部和顶部的磁体331和332，以及特殊设计安排位于中空管314外顶部和底部的磁体310和321所组成。

如图所示，两个平面感应线圈313和328分别安置于能量采集单元的顶部与底部。简单起见，假设两个线圈313和328有同样的长度334和宽度337。从线圈电阻设计而言，线圈越厚越好，但就磁性能设计而言，从浮动结构312中的硬磁体而来的磁通应能轻易地穿过线圈厚度。故线圈厚度338由设计的线圈电阻和磁性能决定。

中空管314的长宽高尺寸分别为333，335和319，浮动硬磁结构312的长宽高尺寸分别为332，336和325。为降低摩擦损耗，浮动硬磁结构312的表面设有凸钉状结构以减少与中空管314内壁的接触面积。两个平面感应线圈313和328的宽度337与中空管314的宽度335相一致。在外界运动影响下，中空管314应为长为332的浮动硬磁结构312在其内沿方向329的运动提供足够的长度333，以便获得通过平面感应线圈313和328的最大磁通变化。所有位于中空管外的磁体332，331，310和321有相同的由箭头316和315所指的磁化方向，与浮动结构312的硬磁方向317相反而为其提供磁悬浮机制。磁体331、315与312之间的向上的磁性排斥力垂直分量322与磁体332、310与312之间的向下的磁性排斥力垂直分量324以及浮动结构重力323相平衡。故浮动硬磁结构能够悬浮于中空管314内且能从左到右或从右到左的移动。

浮动结构312中的硬磁体330的高度应大于硬磁体330到线圈的距离326加上线圈厚度338，以便浮动结构312在上下平面感应线圈313和328之间通过时，其硬磁体330而来的磁通能轻易穿过线圈。中空管314外顶部磁体与中空管的距离320和底部磁体与中空管的距离327经过优化设计来平衡力322，324和323，为浮动硬磁结构312提供磁悬浮机制。中空管314应有足够的高度319以容纳高为325的浮动结构312在管内沿方向329运动时尽量减少与壁面的接触。

图4解释了微型能量采集单元内的浮动硬磁结构401对外界振动的响应。如图4(a)所示，当浮动硬磁结构401处于平衡位置时，由磁铁对402和404相应提供的向右的水平磁性排斥力f1和f2与由磁铁对403和406相应提供的向左的水平磁性排斥力f3和f4互相平衡。沿微型能量采集单元水平方向无净磁性排斥力。如图4(b)所示，浮动硬磁结构401因外界振动而离开其平衡位置。在此情形下，即使通过磁铁对406和405获得的水平磁性排斥力f4和f5相平衡，由于图4(b)中水平磁性排斥力f1，f2和f3的不平衡，以致浮动结构401受到指向平衡位置的弹性恢复力f的作用。

一般情况下，由磁性斥力引起的弹性恢复力在较大位移范围内与位移之间呈非线性关系。如图1(b)所示，尽管在平衡位置附近弹性恢复力与振荡器的位移呈近似线性关系，当远离平衡位置时，振荡器的响应会变得迟缓僵硬。然而在本发明的振荡器中，如图4(b)所示，只有磁性排斥力水平分量构成弹性恢复力f。当浮动硬磁结构401远离平衡位置时，其弹性恢复力是相对位置角度α和β的函数。本发明的振荡器中的浮动硬磁结构401在较大位移范围对外界振动具有比图1(a)中的磁铁快速且柔软得多的响应(参见图4(c))。如图4(c)所示，浮动硬磁结构401对外界快速且柔软响应的设计大大地拓展了其线性响应区间。浮动硬磁结构401的位移受限于中空管长407。所以，本发明的微型能量采集单元为一伪线性振荡器，其工作频率，即共振频率，起决于浮动结构401的质量和振荡器的磁场设计，如中空管内浮动硬磁结构401的中心到管外磁体的中心之间的垂直间隙408。

微型能量采集单元的工作频率可有效地由中空管长和磁场的设计，以及多层材料约束的周围磁体的中心到浮动硬磁中心的间隙来调控。

图5展示了一种类似于图3的微型可调谐的能量采集单元(伪线性振荡器)设计示意图。中空管501置于由金属薄膜形成的真空502中。中空管501外的磁体503牢牢的附着于图5所示的金属薄膜上。通过引入空间506的气体，可以将压力505均匀地加载在金属薄膜外。如前所述，微型能量采集单元的工作频率可通过控制中空管内浮动硬磁结构中心到管外磁体中心之间的垂直间隙而有效地调接。故图5中微型能量采集单元的工作频率可借由升降气体压力505来调整浮动硬磁体504和外面磁体503的间隙507而改变。利用气体压力来调整微型能量采集工作单元的共振频率的技术细节将在我们另外的专利中详论。

图6展示了另一种同样类似于图3的微型可调谐的能量采集单元(伪线性振荡器)设计示意图。磁601和602分别牢牢的附着于图6所示的金属或非金属薄膜板603和604上。磁体601和602中心到中心之间的距离605可由加载于上下板603和604之间的静电压v引起的静电力而改变。如前指出，真空管607内的浮动硬磁体606的共振频率可经改变磁体601和602中心到中心之间的距离605而调整。因此，图6中微型能量采集单元的共振频率的调节可经改变电压v而达到。更详细的利用静电力来调整微型能量采集工作单元的共振频率的技术细节将在我们另外的专利中讨论。

图3，4，5和6中的所有组件均可由低成本的方式大量制造，特别借用半导体和微电机系统(mems)晶圆工艺大规模生产。平面感应线圈和浮动结构312中5微米至100微米厚的硬磁体可由低端掩膜和电镀制造。其余的磁体既可由溅射成膜制造也可电镀而成。永磁体电镀技术和电镀设备的详细构造将在我们另外单独的专利中详论。图3，5和6中的中空管和图5中的真空502和开放空间506都可在所有其余组件成形后利用成熟的mems晶圆生产湿蚀刻填充材料的工艺制造。此外，多阵列微型能量采集单元可以在诸如半导体，陶瓷，玻璃，甚至朔料等基片上制造。其垂直方向最后尺寸可控制在1mm以下。如果使用半导体基片，其应用专用集成电路(asic)和存储电能用的大容量电容器都可容易的制造。

一般而言，无线传感器根据应用需求可以采取主动或被动模式工作。本发明的能量采集系统可以集成进无线传感器系统，为其提供电源。

图7(a)给出了本发明中的能量采集系统(ehs)与单一工作单元无线传感器(wu)所构成的基本应用架构。它由能量采集系统(ehs)701，能量储存库(esr)702，可充电电池703和工作单元(wu)704组成。通常电容器被用作能量储存库(esr)702。被能量采集系统(ehs)701收获的有用能量将暂时存于能量储存库(esr)702中。初始时，工作单元704由预先充满电的可充电电池703提供电源。能量采集系统(ehs)701，能量储存库(esr)702和可充电电池703的工作状态由电源管理单元705监控。电源管理单元705同时还监控采集的能量的存储和电池充电的过程。这种系统架构有很多的应用。其中一个应用就是煅炼或体育训练方面。它可用来建立个人运动跟踪系统，亦可根据从运动或体能训练中采集的能量数据来帮助运动员评估他们体育训练的进展。

电源管理单元705由两个子系统组成，即能量采集系统管理706和电池管理707。能量储存库(esr)702的正常工作由两个预设阈值管理。当能量储存库(esr)702中存储的能量低于预设的下限时，它将从能量采集系统(ehs)701收集能量。当能量储存库(esr)702中存储的能量高于预设的上限额，而且电池管理707又同时发现电池低于预设的最小容量时，能量储存库(esr)702给可充电电池703开始充电。能量采集系统管理706包括能量采集系统(ehs)状态监视器708，能量存储控制709和能量储存库(esr)状态监视器710。而电池管理707至少包括电池状态监视器711和电池充电控制器712。电源管理单元705的具体逻辑和电路设计将在我们另外有关电源管理的专利中讨论。

图7(b)是单个能量采集存储(ehs-ers)系统和双可充电电池构成的能量采集系统应用架构。初始时，工作单元由预先充满电的可充电电池提供电源。同时，ehs-esr共同从环境采集能量以给备用可充电电池充电。当第一个电池几乎用完后，系统将切换到备用电池继续工作，与此同时，ehs-esr一起给第一块电池充电，反之亦然。正如前面所指出的，频繁更换电池制约了无线传感器在偏远或危险环境检测方面的应用。单个能量采集存储(ehs-ers)系统和双可充电电池构成的能量采集系统是一个自源系统，只需在开启时对电池预充电。因此它非常适应在偏远或危险环境检测方面无线传感器的应用。

图7(a)和图7(b)给出的架构都是主动工作模式。他们也可以在添加象rfid这类触发器后进行被动模式工作。

图7(c)是一种自供电的跌倒检测系统，类似于图7(b)中的系统，但以被动模式工作。正常情况下，能量采集系统(ehs)730不断地从系统携带者的正常身体活动中收集有用能量，并存储与电容(esr)和电池732，733中，而应急单元734处于断开状态以节约电能。同时，身体活动跟踪单元735利用采集的能量数据跟踪系统携带者的正常身体活动，并存于个人健康数据单元736中。一旦由于事故而造成跌倒，跌倒传感器737将触发应急单元734从健康数据单元736中取得个人健康资料，并且立即通过无线通讯网络与系统携带者的紧急联系人取得联系，寻求帮助。应急单元734将触发一系列的事件，因此需要较多能量。正常情况下保持应急单元734处于睡眠状态将为整个系统节约能量。

对诸如人员看护，健康监测，海啸或地震探测，有毒物料跟踪等这些领域的无线传感器应用而言，冗余设计以提高系统可靠性是必不可少的。图7(d)给出了由一个电源管理系统(pmu)，双能量采集系统(ehs)，双储能库(esr)，双可充电电池和一个工作单位(wu)的冗余设计的无线传感器应用架构。该系统由任意组合的单个能量采集系统(ehs)，储能库(esr)和可充电电池供电，而其他组件用作备份。当工作的能量采集系统(ehs)或储能库(esr)失效时，备份的能量采集系统(ehs)或储能库(esr)将自动取代失效的部件而维持系统工作；同时电源管理系统(pmu)将发出更换部件的请求。图7(d)系统中冗余和自检功能设计保障了该系统的正确工作。

如前所述，本发明的能量采集系统是绿色环保技术。其技术可以扩大用于不断采集和存储由城市交通等引起的道路振动动能以供道路照明系统之用。图8是一种基于中型宽频动能采集系统的自我供电城市道路照明系统示意图。扩大的中型宽频动能采集系统埋置于城市道路下，集能存储单元中以供夜晚街道照明之用。

城市街道照明和交通控制信号灯在如风暴等坏天气下失去电源是非常常见的现象。中型宽频动能采集系统还可悬吊于电杆上，在坏天气造成的紧急情况下，将收集风暴的能量以供道路照明和交通控制信号灯之用。

该宽频动能采集系统亦可安装在车辆上回收车辆驾驶中浪费的动能，以利车辆的能量综合利用效率的提高。，与特定设计的大电容器和可充电电池一起，该系统作为独立配件或额外内置的电池故障安全系统可为燃油车辆的启动提供电源，或用作电动车辆或混合动力车辆的补充电源。

本专利发明的能量采集系统是由伪线性振荡器单元列阵构成的多功能宽频能量采集系统。其厚度尺寸小于1mm的轻薄特征，使其易于与无线传感器，象智能手机，平板电脑，谷歌眼睛等便携式或穿戴式电子设备集成一起应用。它亦可以制成独立的电源设备或系统提供给用户使用。该宽频动能采集系统可以很容易有效地将任何由于携带者自身或环境中风和水流等引起的运动转换为电能。扩大的中型宽频动能采集系统可埋置于城市道路下以采集道路交通浪费的能量以供道路照明之用。与特定设计的大电容器和可充电电池一起安装于车辆上的本发明中能量采集系统将车辆运动中浪费的能量，特别是象停止启动这类加速过程中浪费的能量，有效地回收为燃油车辆的启动提供电源，或用作电动车辆或混合动力车辆的补充电源，有助于提高车辆的能量综合利用效率。