具有微静电换能器的热电发生器的制作方法

专利名称：具有微静电换能器的热电发生器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种功率的生成，更具体地，涉及一种自给自足的电源， 包括热电的能量转换和静电或机械的能量转换的组合，并且它还具体地用于 产生电能，比如可以被用于微电子器件和系统。
背景技术：
微电子器件不断向微型化发展的趋势迫使要开发微型化的电源。电池和 太阳能电池是用于微电子器件的传统电源。然而，通过长时间地消耗电池而 提供的功率需要周期性地更换电池。太阳能电池虽然具有有效地无限采用寿 命，但只能提供暂时的能源，因为太阳或其他光源不能总是可得到的。此外， 太阳能电池还需要周期性地清洁表面，以便维护其能量转换的效率。
热电发生器是一种自给自足的能源，它根据塞贝克效应将热能转换成电能，塞贝克效应是这样一种现象，即热差值可以转换成电，主要是由于电荷 载流子在导体中扩散。在塞贝克效应作下，电能可以通过利用热电偶产生，
每个热电偶包含一对一端连接的不同类金属(n型和p型)。n型和p型分别是 指材料内部的负的和正的电荷载流子。
存在于热电偶两端的温度梯度可以人工地施加，或者也可以自然发生， 如废热或散逸热不断地通过人体排出。在一块手表中，其一面在环境温度下 暴露于空气中，同时相对的一面暴露于戴表者皮肤的更高温度下。因此，在 该手表的厚度上即会呈现典型的小的温度梯度。热电发生器可以结合到该手 表中，作为一个自容式单元，以利用散逸热或废热，并产生足够运行该手表 的供电功率。有利的是，许多微电子器件在大小上都相似于一块典型的手表， 它只需要很少量的功率，因此可以通过热电发生器兼容供电。
另外一种能够从环境或周围的能量中生成功率的自给自足的能源是基于 振动的装置。新近的研究涉及到一些方法，用于开发基于振动的能源，在将 可变电容器用在静电微功率发生器方面产生了有效的进展。由于振动源是普 遍存在的，它可以很轻易地从许多地方得到，比如汽车引擎、微波炉和邻近 拥挤车道的办公室窗口等。存在许多机会可以将机械能转换成电能，来驱动 微电子器件和系统。
与通常只能暂时得到的太阳能相比，振动源和热梯度通常可以从更多地 方得到。振动能可以基于如下原理转换成电能。例如，电磁转换器对在磁场 和线圈之间的相对移动进4亍响应时产生电流。压电转换器在对施加的才几械应 力进行响应时产生电能，例如，压电元件的轻微变形的结果。更具体地，一 压电转换器典型情况下包含一种电介质材料，对作用于其上的机械应变进行 响应，产生电压的电介质材料的两端产生电荷分离。
静电转换器可以由一可变电容器构成，用于将机械能转换成电能，通过 做相对于电场的机械运动，其中的电场形成在包含该可变电容器的一对极板 之间。更具体地，在静电转换器中，该极板(即，导体)是通过电介质分离的，彼此相对移动，以响应作用于一个极板的振动。该运动，作为作用于两个极 板之间的电场的振动的结果，其改变了储存在该电容器内部的能量。在此方 式下，静电转换器能够用于将振动能转换成电能。
在比较了这三种机械能/电能转换装置(即，电磁的、压电的和静电的)之 后，静电转换器提供了很多优点。例如，许多微电子器件的不断微型化在某
种程度上是得益于《敬电机械系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) 的进步。制造利用MEMS技术的静电转换器的能力有利于将静电转换器集成 到许多电子微系统中，并且还整体上减小了由静电转换器驱动的电子器件的 大小。
另外，与需要特殊压电材料的压电发生器不同，静电转换器通常都是由 简单材料构成。相比于电》兹发生器，静电转换器还具有的优点是通过静电转 换器可以产生相对高的输出电压。相对而言，电磁转换器产生相对低的电压， 以使所产生的功率不易于被许多电子器件采用。
重要的是，静电转换器具有一种优于电磁和压电发生器的附加优点，即 只有该静电转换器才可以用在高温环境或产生热量的环境下。很遗憾地是， 静电转换器具有一种未在其他前述机械能转换器中发现的缺点。更具体地， 静电转换器通常需要一具有足够高电压的初始激活能量，以便启动将机械能 (即，振动)转换成电能的过程。必须为静电转换器提供一单独的电压源，从 而可以提供真正自给自足的电源，该电源能够利用振动能作为可再生能量切 实可行的来源。
在上述微电子微型化的开发方面，需要一种技术用于使电源能够为微电 子器件或系统提供本质上连续的供电，以便去除对可耗尽元件如电池的周期 性的更换。更具体地，需要一种技术用于使静电转换器能够通过将振动能从 环境中清除而生成稳定有效的电源，其中静电转换器可以通过可再生且可自 给自足的热电电源进行自我激活。

发明内容
本发明具体通过提供一种电源阐述并緩解了对上述具有微电子器件电源 的相关需求，满足了静电转换器对单独电压源的需求，以便启动从机械(即， 振动)能到电能的转换。此外，本发明提供了一种装置，用于改进能量收集 装置的总体功率输出，从而能够开发已知的环境能源，比如温度梯度和振动 能。
以最广泛的常识，本发明通过适当的电子电路将热电发生器与静电转换 器相结合，以便提供足可支撑的电源，比如可以用于微电子器件。热电发生 器较佳地被设置为与一热源和一吸热设备相邻，并具体地用于将热能转换成 电能，以便产生具有足够高电压的电激活能量。电子电路可以包括一初始能 量管理组件，连接于并用于接收和调整由热电发生器产生的电激活能量。
在电激活能量的条件下，初始能量管理组件将电激活能量传递给静电转 换器，以启动其运行过程，以使静电转换器可以随后将作用于其上的振动能 转换为电能。可以进一步包括一最终能量管理组件，可以连接于静电转换器， 以便在传送功率给接收设备之前调整由静电转换器产生的电能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。


图1表示根据本发明一实施例所构造的电源的示意图，其可以包括一热
电发生器、 一初始能量管理组件、 一静电转换器和一最终能量管理组件；
图2表示一替代实施例中的电源的示意图，其中初始能量管理组件和最
终能量管理组件被集成为一单一的装置或结构；
图3表示一进一步实施例中的电源的示意图，其中热电发生器和静电转
换器被集成为一单一的装置或结构；
图4表示将热电发生器和静电转换器集成设置的电源的示意图，类似于 图3所示，但其中的热电发生器被设置为圓盘形或环形，其中包含静电转换器；
图5为平面内(in-plane)热电发生器的立体图，表示设置于基片上的p 型和n型热电管脚的基本结构；
图6表示交又平面(cross-plane)热电发生器的立体图，可以与静电转换 器组合利用。
具体实施例方式
现在参照附图，用于表示本发明的最佳实施例而不用于调整本发明。如 图1所示，为具体用于将机械能转换成电能的电源10的示意图。有利的是， 本发明的电源IO用于产生相对稳定和连续的电能供电，足够微电子器件和传 感器系统所需的功率。
在最广泛的常识中，该电源10包括一热电发生器12, —初始能量管理组 件44, 一静电转换器14和一最终能量管理组件46。热电发生器12用于产生 响应作用于热电发生器12两端的温度梯度而产生的足够高电压的电激活能 量；初始能量管理组件44连接于热电发生器12，用于从此处接收电激活能量 并调整该电激活能量，以使该电激活能量可以被提供给静电转换器14，以便 启动机械-电能量转换过程。
静电转换器14连接于初始能量管理组件44，由从初始能量管理组件44 接收到的电激活能量激活。然后，静电转换器14响应作用于其上的振动能， 以能够生成电能。最终能量管理组件46连接于静电转换器14，用于调整由此 产生的电能，用于被任何数量的电子器件62采用，比如微电子器件和传感器 系统。
有利的是，只有本发明的电源IO才适用于易于从相对地小的温度梯度提 取热能的环境中。另外，该电源IO用于采用在易于以振动形成提取机械能转 换为电能的环境中。这种热能可以以多种形式得到，比如由人体产生的散逸 热，或由微波或气体马达或电马达产生的废热，较佳地，也可以为操作时产 生的振动。因此只有该电源10才适合于从一种单一环境来源中获取热和机械
10能，比如电马达，以便为不同的电子器件62提供一种自给自足并且稳定的电
源，用于在无法或不可能利用有线电源或电池来驱动这些器件的情况。
如图1所示，显示该电源10，其中热电发生器12可以被设置为平面内热
电发生器12的结构，类似于美国专利号为6,958,443，名称为"小功率热电
发生器"，由斯塔克(Stark)等申请的专利中显示和描述的内容，其全部内容
均清楚地结合于此，用于参考。本发明中采用的另外一种平面内热电发生器
12可以类似于如下文献公开的内容，美国专利申请号为11/352, 113，提交日
为2006年2月10日，名称为"小功率热电发生器"，斯塔克等申请，其全
部内容也清楚地结合于此，作为参考。
此外，热电发生器12可以碎皮设置为交叉平面结构，其中n型和p型热电 管脚38、 40在一基片上形成为方格盘排列，如图6所示，其具体细节如下所 述。较佳地，这种交叉平面热电发生器12用于提供相对高电压电平的能量。 通常，热电发生器12被设置为任何适当的热能转换装置，能够产生具有足够 高电压的电激活能量，用于在静电发生器14中开始静电能量转换过程。
正如图5中所看到的，平面内热电发生器12结构通常可以包含至少一个 基片30和一对相分隔的热偶极板26,用于热连接到热源22和吸热设备24。 基片30较佳地朝向相对于热偶极板26垂直的方向，并与其热连通。基片30 可以具有相对的前后基片表面，其上可以放置多个热电偶42，包括延长交错 的n型和p型热电管脚38、 40,彼此相分隔平行排列设置。
每个n型和p型热电管脚38、 40中可以由热电材津牛形成。每个p型热电 管脚40,电连接于在所述p型热电管脚40的两端的相邻的一个所述n型热电 管脚38，以使该组n型和p型热电管脚38、 40电性串联，并且热性并联。从 顶端热偶极板至底端热偶极板的热梯度引起横跨n型和p型热电管脚38、 40 的热流动，v^人而导致电能的产生。顶端热偶招jf反26热连4妄于热源22,并且其 底端热偶极板26热连接于吸热设备24。
平面内热电发生器12的一种设置可以包含多个箔片段28,电性串联且热性并联，并且可以被插入其顶端热偶极板26和其底端热偶极板26之间。箔 片段28可以朝向相分隔排列的平行方向，比如上述提到的公开在美国专利号 6,958,443中的内容。可选地，箔片段28可以被螺旋缠绕，类似于美国专利 申请号为11/352， 113的专利中所显示和公开的内容。
不管采用哪种设置，箔片段28均为电性串联，每个箔片段28均包括一 设置有多个热电偶42的基片30，并且包括交错的n型和p型热电管脚38、 40,彼此相分隔平行设置于其上。组成热电偶42的p型和n型热电管脚40、 38采用金属桥34连接，而金属接触物36连接相邻的箔片段28和n型及p型 热电管脚38、 40，如图5所示。这种金属桥34和金属接触物36可以被放置 在基片30上，与p型和n型热电管脚40、 38的沉积相组合，以便形成薄膜 热电结构，从而构成平面内热电发生器12的结构。
每个n型和p型热电管脚38、 40中可以较佳地由适当的热电材料形成。 平面内热电发生器12典型情况下用于通过采用热电管脚38、 40两端的小温 度差值将热能转换成电能。这种电能的特性典型地是低功率输出，但有相对 高电压。平面内热电发生器12可以通过各种技术包括薄膜技术等进行制造。 尽管他们有相对低的功率输出，但平面内热电发生器12可用于为某些电子器 件62供电，并为初始能量管理组件44供电，以及激活某些其他装置，比如 本发明中的静电转换器14。
应该注意的是，平面内热电发生器12可以采用MEMS硅基技术制造，比 如描述在如下文献中第246-250页的内容，名称为"用于能源供应的热电转 换器"，，再版出版名称为"传感器和激励器"，编号为74 (1999)，由H.格 洛施(Glosch)等发表，其全部内容结合于此，作为参考。另外，平面内热电 发生器12可以采用硅技术制造，比如描述在如下文献内容中，名称为"基于 多晶硅和多晶硅锗表面微加工的微型化热电发生器，，，由英飞凌技术A.G,无
线电产品，微系统和慕尼黑科技大学，电工物理学学会的M .斯塔斯尔 (Strasser)等发表，其全部内容结合于此，作为参考。对用于制造平面内热电发生器12的硅基技术的进一步描述在如下文献内 容中，名称为"互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)低功率热电发生器的分析"，由英飞凌技术和慕尼黑 科技大学的M .斯塔斯尔(Strasser)等发表，其全部内容结合于此，作为参考。 平面内热电发生器12可以进一步采用电镀技术制造，类似于如下文献第 146-152页的内容，名称为"在柔性箔基片上微制造热电发生器作为自主微系 统的电源，，，由曲温明等发表，其出版于微型机械学和微工程杂志11期(200D 中，其全部内容结合于此，作为参考。在本方法中，平面内热电发生器12被 构造成嵌入于环氧基树脂薄膜中的铅铋热电偶带的结构，利用 一系列的箔石 版印刷术、电镀、嵌入和湿化学蚀刻的步骤，以便形成平面内热电发生器12。
如图6所示，交叉平面热电发生器12如图6所示可以采用多晶块状材料 制造，比如利用在现有技术中已知的标准佩尔蒂埃(Peltier)冷却器。在本 结构中，p型和n型热电管脚40、 38的长度典型地是在毫米范围内，用于利 用多晶块状材料的结构。热偶极板26被设置在相分隔的一对热电管脚38、 40 的上端和下端，以-使分别地热连接至一热源和吸热i殳备22、 24,用于促进通 过热电管脚38、 40的热流动。
交叉平面热电发生器12可以通过在现有技术中已知的各种替代技术制 造。例如，交叉平面热电发生器12可以以如下文献中所描述的方式制造，名 称为"微佩尔特(Micropelt)小型化热电装置，小尺寸，高度冷却功率密度， 短响应时间"，由德国弗赖堡(Freiburg)的弗劳恩霍夫协会(Fraunhof er Institute Phys ikal i sche Messtechnik, IPM)的H.贝特纟内(Boettner)发 表，或名称为"微佩尔特技术发展水平，路标和应用程序，，，也是由H.贝 特纳发表，以及名称为"采用微系统技术的新热电组件，，，也是由H.贝特纳 等发表，其全部内容结合于此，作为参考。
在上述文章中，交叉平面热电发生器12可以通过在具有预结构化电极的 晶片上沉积(例如，溅射)多层相对厚的(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。在退火过程之后，n型和p型层通过沉 积高温焊接剂而净皮结合。蚀刻用于定义n型和p型热电管脚38、 40,此后， 热偶极板被焊接在 一起。
另外，交叉平面热电发生器12可以采用电镀技术(例如，流电处理技术) 制造，比如，描迷在如下文献中的内容，名称为"通过类似MEMS电化学过程 制造的热电微设备"，由加利福尼亚科技学会喷气推进实验室的G 杰弗里 (Jeffrey )'斯奈德(Snyder )等发表，联机出版在2003年7月27日，其 全部内容结合于此，作为参考。
如图2所示，热电发生器12连接于初始能量管理组件44，具体地用于调 整由热电发生器12产生的电激活能量。初始能量管理组件44接收来自热电 发生器12的电激活能量。此外，初始能量管理组件44可以被用于整流和调 整由热电发生器12产生的热电电压，以免产生过电压，并以储能元件56的 形式从开始提供能量存储能力，以及提供电压调节能力，来调节功率被释放 给静电转换器14的点。
通过采用二极管50可以促进热电电压的整流，以便提供仅具有一个极性 的电压，而与温度流动或温度梯度的方向无关。可选地， 一整流器48可以祐L 用于开发温度梯度，而与利用二极管桥52时的热流动的方向无关。进一步的 实施例可以包括至少一个二极管，通过初始能量管理组件44来阻止储存的能 量》文电。
初始能量管理组件44还可以提供过电压保护，比如通过利用一个齐纳二 极管， 一个单独的二极管50或多个二极管50以在现有技术中已知的方式串 联设置。在广泛的常识中，初始能量管理组件44较佳地提供过电压保护，以 便调整产生有害的热电电压，比如可能发生在热电发生器12两端的相对高的 温度梯度时的电压。储能元件56可以包括小电容器58或一可充电薄膜电池 60，用于累加足够的能量以便激活静电转换器14。可以通过采用一开关或多 个开关来促进电压4企波，开关被设定于已定义的符合储存的能量总量的电压
14阈值。超过一预设阈值时，在存储元件中的电荷被作为功率释放给静电转换
器14。在预^没阈值以下，可以中断或防止电流流动。
静电转换器14用于基于一种工作原理从振动转换成机械能，相对于形成 在可变电容器58的两个极板之间的电场，执行该工作。静电转换器14可以 被构建成类似于如下文献的公开内容，名称为"振动到电能的转换"，由S梅 宁尔(Meninger)等发表，由IEEE出版在"超大规模集成电路(VLSI)系统 报"2001年2月第9期，第l号中(以下称为梅宁尔参考)，其全部内容结 合于此，作为参考。
另外，静电转换器14可以被构造为类似于如下文献的公开内容，名称为 "用于功率产生的微加工可变电容器"，由英国伦敦皇家学院电学和电子工程 系的光学和半导体设备小组的P 苗(Miao)等发表，其全部内容结合于此，作 为参考。并且，静电转换器14的构造或设置可以类似于如下文献公开的内容， 名称为"用于低频运行的MEMS静电微功率发生器"，由英国伦敦皇家学院的 P. D.米切森(Mitcheson)等发表，该文献可以联机获得，于2004年6月1 曰，其全部内容结合于此，作为参考。另外，静电转换器14可以被类似于如 下文献公开的内容构造，名称为"微静电振动到电转换器"，由加利福尼亚 伯克利大学的夏德 朗蒂等发表，出版于IMECE2002-39309号文献中，其全 部内容结合于此，作为参考。
静电转换器14可以通过微加工可变电容器58的方式制造。可变电容器 58由于作用于电场的机械力(即，振动)而产生电能，该电场形成于通过电介 质20分离的一对极板18之间。在这点上，可变电容器58通过改变一对极板 18之间的距离来将振动能转换成电能，作为对发生在极板18之间的相对的振 动运动的响应。可变电容器的极板的几何尺寸和间距确定其电容值。底板相 对于顶板的运动用于提取电荷，可以采用比如功率提取电路的方式。
静电转换器14可以运行在以下两种不同模式下电荷调整和电压调整。 对于电荷调整和电压调整模式下的运行被提供在梅宁尔参考以及上述提到的由朗蒂发表的"微静电振动到电转换器"中。在电荷调整模式下，在可变电
容器58中的电荷被调整，以至于由于极板间的间距从初始间隙变为最终间隙 时的间距增加，以使电压随着电容减少而增加。在电荷调整模式下，静电转 换器14需要一单独的电压源，比如可以由热电发生器12产生，以便激活静 电转换器14。
可变电容器的电容值在最大电容值和最小电容值之间振荡，以响应由振 动源感生的振动，比如通过上面提到的电马达等。热电发生器12产生一种具 有足够高电压的电激活能量，该高电压是响应温度梯度时产生的。当可变电 容器处于其最大容量(C")时，激活能量被传递给静电转换器。激活能量或电 荷通过关闭电路而被转移，比如通过激活第一开关，以使能量可以从热电发 生器12(即，通过初始能量管理组件44)流动到可变电容器。
第一开关然后与振动频率同步打开，以使当在初始能量管理组件44和可 变电容器之间有开路时，可变电容器从C吣移动到最小电容值(CJ的位置。电
容值从(L、减少到c导致可变电容器两端的电压增力口。在a,n时，通过关闭可
变电容器和存储设备之间的电路，比如通过激活第二开关，在可变电容器中 储存的电荷然后以一种增加的电压被传递给存储设备，比如传递给最终能量 管理组件46的一单独的电容器。以本方式进行循环重复，从而创建电能，作 为在C,和d,^.之间由于振动而振荡的结果。
静电转换器14在电压调整模式下的运行和设置是首先通过将可变电容器 从存储元件充电到最高电压V,^而启动的，其中的存储元件由一单独的电压源 比如热电发生器12馈电。V^的值可以由电路中的开关的最高电压能力决定， 或通过可变电容器本身的最大场调整。可变电容器的极板两端的电压，当极 板在振动力的作用下从C^移动到(U时，通过附加电压源的方式保持不变， 在移动的时候，电荷的一部分从可变电容器移动到存储元件，比如可能被包 含在最终能量管理组件46中的电容器。附加电压源可由附加热电发生器12 提供。明显地，虽然静电转换器的电荷调整型式与电压调整情况相比产生较少
的能量，^f旦需要一个单独的电压源用于电压调整型式，以便当它从c,聰移动到
cu时，在可变电容器极板两端保持恒压。因此，本发明的电源较佳地设置为 运行在电荷调整模式中，其中热电发生器12可以有利方便地提供一种自给自 足并且可再生的激活能量给静电转换器的可变电容器。重要的是，将静电转 换器和热电发生器12独有地组合在一起使本发明的电源成为一种完全可再生 并且自给自足的电源。重要的是，具有静电转换器的热电发生器12的独有的 组合使本发明的电源成为一种完全可再生并且自给自足的电源。
仍如图1所示，最终能量管理组件46如图所示连接于静电转换器14，并 且具体地用于以一种类似于上面描迷的用于初始能量管理组件44的方式，调 整由静电转换器14产生的电能。更具体地，最终能量管理组件46用于通过 一种连接于最终能量管理組件46的电装置调整所用的电能。
最终能量管理组件46可以包括一控制器来运行静电转换器14以及将由 静电转换器14产生的电压变换为可用电平，用于驱动和激励电子器件62。可 选地，最终能量管理组件46可以较佳地包括一储能元件56,比如小电容器 58或可充电薄膜电池60，以便累加足够的电能来驱动连接于本发明的电源10 的电子器件62。
另外，储能元件56可以被用于提供电激活能量，使静电转换器14能够 减小初始能量管理组件44的尺寸和复杂度，以及能够减少热电发生器12。最 终能量管理组件46可以进一步提供电压检波以便将阈值调节到功率被释放的 值。采用功能开关运行在预设电压阈值可以促进电压检波。当电压达到预设 阈值时，存储元件中的电荷被释放给电子器件62。另外，电能的一部分可以 被返回释放给静电转换器14,以便继续其转换循环。在预定的电压阈值以下， 中断或阻止了为电子器件62供电的电流源。
在如图2-4所示的可选实施例中可以提供电源IO例如，如图2所示，初 始和最终能量管理组件可以被合并到一单一的装置，以使电源10包括三个通用组件热电发生器12、静电转换器14和能量管理组件44、 46。所有的组 件可以以类似于如图1所示方式互连。
在图3中，电源10可以^皮设置在另外一个实施例中，其中热电发生器12 和静电转换器14被集成为一个单一的装置。例如，较佳地，利用硅基技术和 微电机械系统(MEMS)技术来制造静电转换器.14和热电发生器12，以便促进与 可以由静电转换器14驱动的硅基微电子器件的集成和微型化。例如，热电发 生器12和静电转换器14可以被制造为一种片上装置，与由电源IO驱动的微 电子组件组合。
在另外一种设置中，热电发生器12和静电转换器14可以构造为一种混 合装置，其中静电转换器14采用硅基技术制造，而热电发生器12采用非硅 基微技术制造，该非硅基微技术类似于美国专利号6， 958， 443文献显示和公 开的内容。更具体地，专利号6, 958,443的文献公开了一种Bi/T3基的热电材 料系统。在如图3所示的结构中，初始和最终能量管理组件可以被构造为一 种类似于图2所示及如上所述的单一结构。
在另外一个实施例中，电源IO可以被设置为类似于图4所示，其中热电 发生器12被设置为环形或螺旋形的箔片段28，类似于美国专利申请号 11/352,113,名称为"低功率热电发生器"的文献所显示和公开的内容。如 所公开的，螺旋缠绕设置的热电发生器12提供了一种机会，用于将静电转换 器14集成在形成于热电发生器12的中心部分的一开口或孔中。
在螺旋形的结构中，平面内热电发生器12可以被设置为螺旋形的连续基 片30或互连基片30的片段，其中较大量的热电管脚38、 40为串联的，其中 基片30片段可以采用基片30之间的金属接触物36被端到端连接，从而电性 串联n型和p型热电管脚38、 40。 螺旋形的或叠层的热电堆结构可以具有热 偶极板26，设置于上端和下端，以便连接到热源22和吸热设备24。可预期 地，还可以将每个组成电源10的组件集成为一个单一的结构，并被封装以形 成方便的装配件，可以用于在许多通用微电子器件中。
18图4中的组件之间的电连接与上述及图1-3所述内容相同。另外，可预 期地，还可以将组成本发明的电源的组件集成为一个单一的封装装置，比如 基于MEMS技术和硅基技术。这种装置可以被进行片上制造或被制造为混合装 置构造，类似于如上所述的采用硅基技术的静电转换器14及利用非石勤效技术 的热电发生器12。
电源10的运行参照图1-6进行描述。热电发生器12较佳地设置在适当 的热源22和吸热设备24之间，以便直接地将热能转换成电能，以提供初始 电激活能量给初始能量管理组件44。由于温度差的中断或变化，这种电激活 能量很可能被显示为相对不规则的或不连续的能流，其需要被连续调节为稳 定的、 一致的电能输出。
因此，初始能量管理组件44整流和调整电激活能量，并在任选的储能元 件56中产生电荷，比如，电容器58或小的可充电薄膜电池60。另外，初始 能量管理组件44用于利用电压检波器检测储能元件的电荷状态。 一旦达到预 设电压电平，电激活能量能被以适当的电压电平释放给静电转换器14。
当从初始能量管理组件44接收到电激活能量时，静电转换器14然后便 产生电能。如上所述，静电转换器14具体地用于产生电能，作为作用于振动 源16的机械能(即，振动)的结果。从而，静电转换器14提供电能给最终能 量管理组件46,像初始能量管理组件44 一样，调整由此产生的功率，以便驱 动最终电子器件62。另外，能量的一部分可以从电源分接到电子器件62,用 于驱动静电转换器14。
可选地，最终能量管理组件46可以进一步包括一相对大的储能元件56, 比如可充电薄膜电池60,其可以被充有额外的能量，该能量不被最终电子器 件62或静电转换器14采用。进一步地，由热电发生器12产生的未被提供给 静电转换器14的额外电能，还可以被储存在最终能量管理组件46的一相对 大的储能元件56，以便延长最终电子器件62的运行时间。
本发明不同实施例的描述图示其最佳实施例，其他创造性的概念也可以 被进行各种各样的具体表达和采用。在审的权利要求应当被解释为包含这些 变化，除了由现有技术限定的范围以外。
权利要求
1. 一种电源，包括一热电发生器，用于产生响应作用于所述热电发生器两端的温度梯度而产生的足够高电压的电激活能量；以及一静电转换器，连接于所述热电发生器，被从其接收到的所述电激活能量激活，用于响应作用于其上的振动能以产生电能。
2、 根据权利要求1所述的电源，其中所述静电转换器用于以充电调整模 式将振动能转换成电能。
3、 一种电源，包括产生的足够高电压的电激活能量；一初始能量管理组件，连接于并用于接收和调整由所述热电发生器产生 的所述电激活能量；一静电转换器，连接于所述初始能量管理组件，被从其接收到的所述电 激活能量激活，用于响应作用于其上的振动能以产生电能；以及一最终能量管理组件，连接于所述静电转换器，用于调整由此产生的所 述电能。
4、 根据权利要求3所述的电源，其中所述热电发生器和静电转换器被集 成为一单一的电子装配件。
5、 根据权利要求3所述的电源，其中所述初始能量管理组件和最终能量 管理组件被集成为一单一的电子装配件。
6、 根据权利要求3所述的电源，其中所述热电发生器、静电转换器及初 始能量管理组件和最终能量管理组件被集成为一单一的电子装配件。
7、 根据权利要求3所述的电源，其中所述静电转换器用于以电压调整模 式将振动能转换成电能。
8、 根据权利要求3所述的电源，其中所述静电转换器用于以充电调整模式将振动能转换成电能。
9、根据权利要求8所述的电源，其中所述静电转换器包括一可变电容器，其具有在初始间隙和相对大的最终 间隙之间可变动的一对相分隔的导体极板；所述初始能量管理系统用于当所述导体极板以所述初始间隙相分隔时， 将所述电激活能量以初始电压提供给所述可变电容器，在所述初始间隙时， 所述可变电容器具有最大的电容值；所述静电转换器用于将所述导体极板之间的间距从所述初始间隙增加到 所述最终间隙，以响应作用于其上的振动能，引起电容值的減少，并将电压从所述初始电压增加到最高电压；所述静电转换器被进一步用于在所述最高电压从所述可变电容器提取电 荷，发送给一存储元件。
10、 根据权利要求3所述的电源，其中所述热电发生器和静电转换器中 的至少 一个釆用硅基技术制造。
11、 根据权利要求10所述的电源，其中所述热电发生器和静电转换器中 的至少一个采用互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺制造。
12、 根据权利要求3所述的电源，其中所述热电发生器和静电转换器中 的至少一个采用微电机械系统(MEMS)技术制造。
13、 根据权利要求3所述的电源，其中所述热电发生器包括多个n型和p 型热电管脚，由块状多晶热电材料形成。
14、 根据权利要求3所述的电源，其中所述热电发生器采用电镀技术制造。
15、 根据权利要求3所述的电源，其中所迷热电发生器具有平面内结构。
16、 根据权利要求15所述的电源，其中所述平面内热电发生器采用薄膜 技术制造。
17、 根据权利要求16所述的电源，其中所述平面内热电发生器包括一对相分隔的热偶才及斧反；至少一个基片，与所述热偶极板热连通，所述基片具有相对的前后基片 表面，所述基片由具有低热导性的电绝缘材料形成；以及一组延长交错的n型和p型热电管脚，以相分隔的平行结构设置在前后 基片表面中的至少一个上，每个所述n型和p型管脚由热电材料形成；其中每个所迷p型热电管脚，电连接于在所述p型热电管脚的两端的相 邻的一个所述n型热电管脚，以使该组n型和p型热电管脚电性串联，并且 热性并联。
18、 根据权利要求17所述的电源，其中所述n型和p型热电管脚由Bi2Te3 型热电材料形成。
19、 根据权利要求17所述的电源，其中所述平面内热电发生器包括 多个相分隔的平行箔片段，电性串联、热连接于所述热偶极板且插入于所述热偶极板之间，每个所述箔片段包括 一基片，具有相对的前后基片表面；其中所述交错的n型和p型热电管脚以相分隔的平行结构设置在所述 前后基片表面中的至少 一个上。
20、 根据权利要求17所述的电源，其中所述平面内热电发生器包括 一螺旋缠绕的箔片段，被置于所述热偶极板且热互连于所述热偶极板之间，所述箔片段包括一延长基片，具有相对的前后基片表面；其中所述交错的n型和p型热电管脚以相分隔的平行结构设置在所述 前后基片表面中的至少一个上。
21、 根据权利要求3所述的电源，其中所述热电发生器具有一交叉平面 结构。
22、 根据权利要求21所述的电源，其中所述交叉平面热电发生器包括 一对相分隔的热偶才及才反；以及一组延长交错的n型和p型热电管脚，朝向相对于所述热偶极板的垂直 方向，并与其热连通，每个所述n型和p型管脚由热电材料形成；其中每个所述p型热电管脚，电连接于在所述p型热电管脚的两端的相 邻的一个所述n型热电管脚，以4吏该组n型和p型热电管脚电性串联，并且 热性并耳关。
23、 根据权利要求22所述的电源，其中所述n型和p型热电管脚由Bi2Te3 型热电材料形成。
24、 一种热电发生器，用于提供具有足够高电压的电激活能量给具有静 电转换器的电源，所述静电转换器用于响应作用于所述静电转换器上的振动 能，并产生电能。
25、 根据权利要求24所述热电发生器，设置为平面内结构，包括 一对相分隔的热偶一及板；一基片，朝向相对于所述热偶极板的垂直方向，并与其热连通，所述基 片具有相对的前后基片表面；以及一组延长交错的n型和p型热电管脚，以相分隔的平行结构至少设置在 前基片表面上，每个所述n型和p型管脚由热电材料形成；其中每个所述p型热电管脚，电连接于在所述p型热电管脚的两端的相 邻的一个所述n型热电管脚，以使该组n型和p型热电管脚电性串联，并且 热')"生并联。
26、 根据权利要求24所述热电发生器，设置为交叉平面结构，包括 一对相分隔的热偶极板；一组延长交错的n型和p型热电管脚，朝向相对于所述热偶极板的垂直 方向，并与其热连通，每个所述n型和p型管脚由热电材料形成；其中每个所述p型热电管脚，电连接于在所述p型热电管脚的两端的相 邻的一个所述n型热电管脚，以使该组n型和p型热电管脚电性串联，并且 热性并联。
全文摘要
一种电源，包括一热电发生器，一初始能量管理组件，一静电转换器及一最终能量管理组件。所述热电发生器用于产生响应作用于热电发生器两端的温度梯度而产生的足够高电压的电激活能量。所述初始能量管理组件连接于所述热电发生器，用于接收和调整由热电发生器产生的电激活能量。所述静电转换器，连接于所述初始能量管理组件，被从初始能量管理组件接收到的电激活能量激活，用于响应作用于其上的振动能以产生电能。所述最终能量管理组件，连接于所述静电转换器，用于调整由此产生的电能。
文档编号H01L35/28GK101454914SQ200780019971
公开日2009年6月10日 申请日期2007年5月30日 优先权日2006年5月31日
发明者英戈·斯达克 申请人:数字安吉尔公司