[发明专利]射频能量收集装置及其使用方法

说明书

提供了一种被动式电荷恢复逻辑电路，其包括收集周围电磁能的电磁场捕捉设备，该设备包括第一端和第二端；第一移相器，该第一移相器包括连接至设备第一端的第一端；第二移相器，该第二移相器包括连接至设备第二端的第一端；峰值检波器，该峰值检波器包括连接至设备第一端的第一端；以及至少四个栅极，该栅极设置为各自通过第一至第四电力时钟信号而运行。

优先权

本申请要求于2016年5月4日向美国专利商标局提交的临时专利申请62/331,601的优先权，其内容通过引用并入本文。

政府支持

本发明在国家科学基金授予的批准号为1646318的奖励下由政府支持而进行。政府对本发明具有一定的权利。

发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及一种收集周围交流电(AC)信号以提供一致高效的电源的装置，及其操作方法。

2.背景技术介绍

传统的AC计算使用低频即60-300赫兹的AC电源[1]。重大的数字计算可用由AC电源提供的电压来完成，该电源频率比集成电路(IC)运行低几个数量级。传统的系统在固定运行时间期间，将输入AC信号维持在近似恒定的电压水平上。

对于每个AC电力信号周期，数字核心经历三个不同的阶段，即打开的第一阶段，期间进行计算的第二阶段，以及关闭的第三阶段。[2]通电状态的精准复位对于正常的运行是十分必要的，动态存储单元在电力周期期间保持逻辑状态。

传统的射频识别(RFID)电路通常包括电连接至IC的共振天线电路。RFID电路为主动式或被动式。主动式RFID电路用内电源，例如电池，来提供运行电力。被动式RFID电路收集RF电磁能来向内电路供电，该内电路能够包括感应各种信息比如环境变化和安全漏洞的传感器，其能够本地访问或通过因特网或蜂窝网络远程访问。参照例如科恩的美国专利7,400,253和考夫曼的美国专利9,197,984。被动式RFID电路收集足够能量的能力尤其取决于每个RFID电路是否充分地接近电磁场/多个电磁场，从该电磁场/多个电磁场收集电力。为了克服该缺点，传统系统增加了传播电磁场的收发器的数目，来确保有足够的电力用于多个RFID电路中每一个的正常运行。

传统的只采用AC的RFID电路使用结合准静态能量回收逻辑(QSERL)和传输门组的运行逻辑。[3]传输门在AC电源的两个半周期都打开关闭。传统的RFID电路采用尺寸接近0.002mm²的芯片。但是，传统的RFID芯片牺牲了低电力优点。

传统的电路包括用于低频RFID电路的电路块，该低频RFID电路基于准静态绝热逻辑系列，例如2N-2N2P2D逻辑，包含一对交叉耦合的n沟道金属氧化物半导体(nMOS)晶体管、一对互补NP功能块和两个与P逻辑功能相串联的二极管。[4]这种绝热逻辑电路承受二极管大量的能量耗散。传统的电路还包括无整流器RFID电路，其使用仅有RF的逻辑来减少面积开销。[5]

根据拓扑学，仅有RF的逻辑与QSERL从根本上相同。[6]不将顶部和底部电源晶体管设置为二极管，而是将该顶部和底部的电源晶体管用作开关，该开关通过在栅极和源极端子上的AC信号进行控制。仅有RF的逻辑提供了简单的准静态逻辑，但是由于在运行中的关于保留相位的输出浮动而缺少稳健性。重要地，仅小部分存储在负载电容电路的电荷再循环回到电源，由此增大电力耗散，减小能效，并将电路面积减小约80％。

物联网(IoT)提供了一种计算模式来将庞大的网络节点连接至日常的物质领域的设备[7]。IoT的应用遍及运输到卫生保健的范围。IoT的促进因素为识别、感应、逻辑计算和无线通信技术的的进步和整合。但是，传统的IoT设备受限于有限的设备电池寿命。提出光电的、静电的、压电的、热电的、RF和感应的传感器能量收集方法来克服传统系统的缺点。但是，光电、静电、压电、热电技术使用的传感器依赖于相应能源的有效性。