[发明专利]具有微静电换能器的热电发生器

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求在审的美国临时申请号为60/809,479，名称为“具有微静电换能器的热电发生器”，于2006年5月31日提交的申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。本申请还涉及美国专利申请号为11/352,113，2006年2月10日提交的名称为“改进的低功率热电发生器”，其为美国申请号为11/185,312，2005年11月7日提交的名称为“低功率热电发生器”的部分继续申请，该申请又为美国申请号为10/440,992，2003年5月19日提交的名称为“低功率热电发生器”的现在的美国专利号为6,958,443的继续申请，其全部内容通过引用结合在本申请中。

声明：不是联邦赞助的研究/开发

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行响应时产生电流。压电转换器在对施加的机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微电机械系统(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。相比于电磁发生器，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。