[发明专利]热电电源

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60/814,648名称为“热电电源”，于2006年6月16日递交的申请的优先权，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，于2006年2月10日递交的名称为“改进的低功率热电发生器”，其为美国申请号为11/185,312，于2005年11月7日递交的名称为“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，于2003年5月19日递交的名称为“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

本发明通常涉及热电装置，更具体地，涉及一种自给自足热电电源，其具体地用于产生相对高电压功率输出，例如用于驱动微电子器件。

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小型化的电源。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使用寿命，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。

在微电子学产业上的连续开发导致某些微型化电子应用的增加，而许多现代电子器件的功耗在相应地减少。

这种电子器件在功率需求上的减少允许了替代能源的应用，比如热电发生器。

当被用作热能获取装置，以恢复热能作为消失到环境中的散逸热，这种热电发生器可以被用于驱动微电子或传感器系统。随着这种现代电子器件的功能密度的增加，这些装置的功耗减少到微瓦和纳瓦水平，这种增加部分是由于将许多组成这种电子器件的分部件进行集成。然而，许多微电子器件常常需要一种更高的功率。这种更高的功率需求常常在毫瓦范围内。

从上述微电子微型化的开发方面来看，在现有技术中需求一种用于这种微电子器件的电源，能够为其提供本质上的连续供电。此外，在现有技术中需要一种电源，用于不需要周期性的更换电源的微电子器件。

另外，在现有技术中需要一种用于微电子器件的电源，能够为其提供一种稳定且有效的功率来源，并且具有实际上无限的有效寿命。最后，在现有技术中需要一种电源，例如可以被用于微电子器件，能够从本质上只使用小的温度梯度即可将常规能源转换成电能。

发明内容

本发明具体地阐述并缓和了对前述与用于微电子器件的电源相关的需求，其提供了一种热电电源，具体地用于将热能转换成电能，且只利用小的温度梯度，例如由于身体或废热而发生的温度梯度。更具体地，本发明提供了一种热电电源，能够将热能转换为具有伏特范围电压的相对高的功率输出，且以稳定可靠的方式提供该功率，以驱动微电子器件，如传感器系统。

在最广泛的意义中，本发明包括：一平面内(in-plane)热电发生器、一交叉平面(cross-plane)热电发生器、一初始能量管理组件、一电压转换器及一最终能量管理组件。所述平面内热电发生器可以类似于如下文献公开的内容构造，美国专利号6,958,443，由斯塔克(Stark)等人发表，其全部内容结合于此作为参考。所述平面内热电发生器通常被构造为，具有较多数量的热偶，串联设置于一基片上，以产生相对高的热电电压，但具有较低的功率输出。

初始能量管理系统从平面内热电发生器接收相对高电压和低功率输出，并用于校正热电电压，防止额外电压通过二极管，并在一能量存储单元中存储或积累足够量的能量，以激活电压转换器。所述初始能量管理组件可以进一步包括一电压检测器，用于当达到一定的电压门限值时释放功率给电压转换器。