压电振动能量采集器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体涉及用于利用压电材料采集振动能量的方法和结构。
【背景技术】
[0002] 用于在操作低功耗电子产品中使用的能量采集器几十年来一直是备受关注的领 域。振动能量采集器可被配置成通过将机械能量转换成一些其他形式的能量（诸如电能） 来收集与机械运动有关的能量，而用于即刻使用和/或储存以备后用。例如，压电材料在被 机械变形时能够生成电势，并且能够连接至电负载设备或储存设备，从而从机械振动收集 能量。这种能量采集器可用于操作在远程位置的无线传感器，或在更换电池不便的其他应 用中使用。能量采集器还可以用于减少对通常包括危险物质的电池的依赖，并且在一些情 况下降低对电气布线的需求。然而，这种能量采集器尚未适于广泛使用，部分原因是由于某 些尺寸、频率和振幅限制使得它们不适合许多实际应用。
[0003] 能量采集器的一个应用是能够植入的生物医学设备。配置为从人的运动提取能量 的许多振动能量采集器被设计成附接至肢体。在生物医学设备旨在植入躯干中的情况下， 其有时优选地包括能量采集器作为设备包的一部分。能够在躯干中使用的一种类型的能量 采集器为微生物燃料电池，其通常依赖葡萄糖的氧化来生成功率。另一类型的能量采集器 采用压电膜，压电膜卷绕动脉并且配置成从动脉扩张采集能量。另一类型的能量采集器包 括压电带，压电带印刷在橡胶基底上并且配置成在在呼吸期间从肺扩张收集能量。
【发明内容】
[0004] 根据本发明的一方面，提供了 一种振动能量采集器，其包括：基础部和压电式转换 器，其中，压电式转换器包括压电材料层，并且在位于所述基础部的第一端部与第二端部之 间延伸，其中，压电式转换器的至少一部分在第一端部与第二端部之间以往复图案进行设 置。
[0005] 根据本发明的另一方面，提供了一种振动能量采集器，其包括基础部、压电式转换 器和磁性部件，其中，压电式转换器从基础部延伸，磁性部件具有相关联的磁场，其中，压电 式转换器的至少一部分在磁场内操作，以使得压电式转换器呈现非线性行为。
[0006] 根据本发明的另一方面，提供了一种方法，其包括以下步骤：提供具有在输入频率 范围上带有相关联功率输出的几何结构的压电式转换器；以及诱导压电式转换器中的非线 性行为，从而提高压电式转换器在输入频率范围上的功率输出。
[0007] 根据本发明的另一方面，提供了一种可植入生物医学设备，其包括非线性压电能 量采集器。在至少一些实施方式中，该能量采集器响应于心跳波形。
[0008] 在根据本发明的又一方面，提供了一种适于附接至待监测的结构的无线监测设 备。该监测设备由被配置成从该待监测的结构采集能量的压电能量采集器来提供动力，并 且包括具有压电材料层的压电式转换器。该压电式转换器的特征在于：其表现出非线性行 为和/或具有以往复图案布置在第一端部与第二端部之间的至少一部分。
[0009] 本发明的实施方式包括在本文和附图中公开的各种特征的所有技术上兼容的组 合。
【附图说明】
[0010] 以下将结合附图对优选示例性实施方式进行描述，其中，相同的标号表示相同的 元件，在附图中：
[0011] 图1是振动能量采集器的一个实施方式的示意性剖视图；
[0012] 图2是示出压电式转换器几何形状中的来回转弯的数量对该压电式转换器的固 有频率的影响的视图；
[0013] 图3是示出非线性行为对能量采集器的频率响应的影响的视图；
[0014] 图4是能量采集器的另一例的示意图，示出至负载装置或储存装置的电连接；
[0015] 图5是示出了心跳波形的示例的图；
[0016] 图6和图7是分别示出了作为基地厚度的函数的、中尺度转换器和微观尺度变换 器的压电梁数量和最佳功率传递函数的图，其中，每个变换器都具有Z字形结构；
[0017]图8是说明性非线性能量采集器的示意图；
[0018] 图9是示出了响应于心跳波形的奇异混沌吸引子的图；
[0019] 图10和图11分别为双稳态采集器响应于正常强度的心跳振荡的庞加莱图和双稳 态采集器响应于10倍正常强度的心跳振荡的庞加莱图；
[0020] 图12是示出了作为压电层厚度的函数的、非线性双稳态能量采集器的功率输出 的图；
[0021] 图13是示出了作为心率的参数的、双稳态能量采集器的功率输出的图；以及
[0022] 图14和图15是示出了微观尺度传感器几何形状和宏观尺度传感器几何形状的示 例的照相图像。
【具体实施方式】
[0023] 如下所述，振动能量采集器可以用压电式转换器来构造，该压电式转换器以紧凑 的尺寸和形状具有增强的效率和功率输出，特别是在相对低的频率的激励下。非线性行为 在该压电式转换器也可以感应到，从而增大该压电式转换器能够产生有用功率量的频率范 围。能量采集器的一个有用的应用是作为用于生物医学可植入装置（诸如起搏器、植入式 心脏除颤器（ICD)或其他可植入装置）的动力源。能量采集器可以配置成生成足以操作和 /或连续地给现代起搏器中的电池充电的电量，从而将胸部区域的心跳振动作为振动输入， 潜在地消除了主要为了电池更换而进行的植入后外科手术。本文中所描述的能量采集器还 适于在其他应用中使用，诸如不便或不可能更换电池的长期电子应用中。
[0024] 参照图1，图中示出了说明性振动能量采集器10。能量采集器10是压电能量采集 器，并且包括从基础部14延伸的压电式转换器12。转换器12从位于基础部14处的第一 端部16延伸至远离基础部的第二端部18。在该示例中，第一端部16在基础部14处进行 固定，并且第二端部18为自由端部。在其他示例中，第二端部18可以是固定的，并且转换 器12可包括一个或多个附加的自由端部或固定端部。转换器12可通过任何合适的技术固 定在基础部14处，或转换器可包括与基础部集成或形成在一起作为一件的部分。压电式转 换器12可具有包括至少压电材料层的层状结构。在一个实施方式中，转换器12包括被置 于两个电极层之间的压电材料层。转换器12还可以包括一个或多个基底层和/或粘合剂 层。这些层中的任何层都可以是连续层或不连续层，并且其它压电式转换器的结构也是可 能的。
[0025] 所示出的转换器12大致是平面或平坦的，并以往复图案20设置在第一端部16与 第二端部18之间。往复图案限定了两个点之间的非直线的路径。在这方面，在变换器12延 伸远离第一端部16时，变换器12在与位于第一端部与第二端部18之间的直线A的方向不 同的方向上延伸。在图示的示例中，转换器12在x方向上从第一端部16延伸并远离主线 A。为了到达第二端部18,该路径必须在一些点处改变方向，以使得该路径在朝向直线A返 回的方向上延伸。图示的往复图案20形成了具有位于第一端部16与第二端部18之间的 多个方向变化的路径，并且可被称为Z字形图案或蛇形图案，在Z字形图案或蛇形图案中， 路径在其在第一端部与第二端部之间延伸时迂回前进来回穿过直线A。在一些实施方式中， 仅压电式转换器的一部分以往复图案20进行设置。在一些实施方式中，转换器的一个或多 个部分可在第一端部16与第二端部18之间沿与直线A相同的方向延伸。如以下更详细地 所述，往复图案20可在占主导地位的（例如，高幅）振动位于低频的应用中为形状紧凑的、 具有较低固有频率的转换器12提供有效的能量采集。图2中的图表大致示出了如图1中 的蛇形配置或Z字形配置中的来回转弯的数量的效果，其中转换器的固有频率随着来回折 弯的数量增加而降低。
[0026] 所示出的变换器12还可被描述为具有多个梁22,多个梁22中的每个都具有相关 联的长度L和宽度W。该示例中，梁22被设置为彼此平行，并且在相邻梁之间限定有间隙G。 每个梁22都