[发明专利]自供电的压电表面声波装置和方法

说明书

相关申请资料

本申请要求于2008年11月10日提交的序列号为61/193,251号的美国临时申请的优先权，该临时申请的主题以引用的方式完整地并入本文。

发明背景

1.发明领域

本发明的实施方式涉及发射应答器、遥测/接收器、以及传感器装置和相关联的方法。更特别地，本发明的实施方式针对自供电的此类具有设计的频率控制的装置和相关联的方法。最特别地，本发明的实施方式针对放射性同位素供电的压电表面声波换能器和相关联的方法。

2.相关技术描述

微型机电系统(MEMS)遍及日常生活中的各种应用已经变得普遍。最小尺寸的MEMS及其制造材料自然地提供了将这些结构与集成电路结合以提供不需要外部电源的自主微系统的机会。具有长保存期的、小尺寸的、可靠的、温度敏感的且长操作的内部电源的可用性可能显著地影响这些自主微系统的效用。甚至最小的传统电池可能远大于它们为此供电的MEMS，从而对于某些应用而言限制了设备的尺寸减小。另外，传统的电池具有相对较短的使用寿命，通常大约数天，最多几个月，并且可能不能很好地操作或者根本不能在高的温度或低的温度下操作。存在几种应用，其中具有能够向MEMS供电多个月、许多年甚至几十年的电源是可期望的。例如，基于MEMS的传感器可以用于监控各种结构的和环境的状况，并且经由光学通信或射频(RF)通信将该信息发送到接收位置。如果这些设备装备有能够在无需替换的情况下供电持续数年或者几十年的电源，那么基于传感器的设备例如可以永久地嵌入到建筑物、桥等中、用于太空研究和由本领域技术人员预想的其它此类应用。

在第6,479,920号和第7,301,254号美国专利中公开了对较长寿命的电源的需要的一个或多个解决方案，所述专利的主题在可适用的法律和条例所允许的最大程度上以引用的方式完整地并入本文。前面提到的‘920专利公开了一种设备，其中在诸如镍-63的放射性同位素中通过放射性衰变发射的粒子携带的能量被俘获，并转变为机械势能，所述机械势能被存储在可弹性形变的元件中。电能也被存储在放射性同位素连接的电极之间形成的电容器中。存储在可变形的元件中的机械能和电能的释放可以用于直接激活其它机械部分，或者可以转变为可以供应以驱动诸如集成电路的电子部件的电能。用作说明地，设备包括诸如单晶硅、玻璃等的基底，其具有以一端被固定到那里且具有一自由端的伸长的悬臂梁。放射性源被安装到梁的自由端下方的基底，并且放射性发射粒子的吸收体被安装到梁的自由端。具有输出终端的压电元件被固定到悬臂的顶表面，以使压电板将与可变形的悬臂一起弯曲和变形。放射性同位素源优选地发射电子。发射的电子被吸收体吸收并保持，给吸收体充负电，然而源保持正电荷。当电荷在吸收体和源上积累时，这些元件之间的静电力增加，使悬臂梁弯曲以使吸收体开始接近源。在特定的时长后，梁将足够地弯曲，使得吸收体与源进行电接触，从而在这些元件上放电并且释放梁，当梁释放了存储在弯曲的梁中的势能时，梁弹性地朝着其停止位置或常态位置的方向返回。这样做时，强加于压电板上的应力被释放，这在压电元件的输出终端处生成电功率脉冲。由压电元件生成的电功率可以从其输出终端被连接到诸如射频线圈的负载。连接到线圈的压电换能器元件的电容提供产生在特征频率处的电振荡的谐振回路电路，其是由来自压电换能器的输出电压的脉冲激发的。该电压可以被调整并且被存储在存储电容器上，用于供其它电子部件使用，并且高频振荡也可以被用于提供可以被远程检测器检测的射频(RF)信号。除了机械到电的转变以外，电容器中的存储电荷还被突然地释放来产生电流脉冲，所述电流脉冲依次激发包含悬臂结构的容器的所有基谐波腔模式。在腔中激发的并且在压电元件电路上的RF模式可以被耦合。RF能量可以被辐射远离设备，以由远方的接收器接收。

该设备的缺点在于输出RF信号的频率是由系统的等效电容和电感来确定的。共振腔和等效电路的品质因数通常是低的，使得脉冲中的能量分布在频率的范围内，这阻止了在接收电子中存在相位噪声的情况下在任何可感知的距离上的精确的频率测量。此外，腔和电路谐振频率是部件的大小和介电性能的函数，其可以随着设备而改变，这是因为非光刻方法通常用于制造设备。关于发射频率的更严格的容差被高度地期望用于向一个发射器指定给定的频率，并且还能够进行窄带脉冲测量，其通常可以以较高的信噪比被完成，这是因为噪声在检测的窄带中是较低的。