[发明专利]一种集成式多道能量收集微机械结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成式多道能量收集微机械结构，尤其涉及一种能够同时收集电磁能和环境振动能量两种微能量的能量收集结构，属于能量收集技术。

背景技术

能量收集（Energy Harvesting）也称为能量积聚，使用环境能量为小型电子和电气器件提供电能。能量收集模块从光、振动、热、无线电波或生物来源中捕获毫瓦级能量；然后，电源经过调节并存储在电池、高效快速充电电容器等设备内。当需要使用时，能量释放出来以提供给外电路续航。这方面典型的应用实例比如：行动电话、免充电遥控器、可发电的衣服、E标签（或智能包装）、无源钟表、可携式照明、助听器、无电源无线感测器网路、无电源医疗设备和军事装置等等。近年来，微能量收集的研究之所以受到越来越多的关注，是由于目前人们所使用消费类电子产品种类越来越多，充电变成了让多数消费者头疼的问题。如何延长电子产品的使用时间是一个亟需解决的问题。微能量收集提供了一种“开源”的方式来应对延长电子产品续航时间的问题，相对于“节流”——也即减少器件功耗的方式，这一途径有可能从源头上找到问题的关键，达到“治本”的目的。

具体而言，环境中的能量包括光能（太阳光，照明光等）、热能（温差）、声音（各种噪音）、机械能（各种运动）等；在具体的应用环境中，几种能量有可能同时存在，比如在通常收集太阳能的同时，也可以对热能和风能进行收集，因为太阳光谱中的红外成分会引起显著的加热效应，而加热带来的空气对流即是风能的源头；又比如在收集人或动物体表的温差热电的同时，人或动物运动伴随着的机械能也可以同时被收集。另外，在某些场合，单一的能量收集途径可能会由于能量源的消失或弱化而变得无效，成为系统的负担，限制其应用环境。因此，发展可以同时收集两种以上能量的能量收集装置具有显著的现实意义。

值得注意的是，虽然能量收集的概念已经提出很久了，许多厂商也进行了很多的尝试，但是大多数的产品并不成功，究其原因，一是产品实用性、可携带性不强，二是收集的能量种类单一、收集能量不足。分析这些原因的深层次根源可以发现：在现阶段，微能量收集的能量转化单元（或敏感器件）的设计和制造是重要的限制因素；能量的转换效率不高、器件可收集的能量过于单一这两个因素成为微能量收集敏感器件的“硬伤”。正因为此，近年来针对敏感器件设计和制造方面的研究也成为微能量收集领域最受关注的课题之一。其中，提高器件的能量转换效率主要依靠寻找新的敏感材料体系、优化器件结构和设计等等方式，而器件结构的优化也最终受到材料特性的限制，而寻找新的高性能材料在短期内难以实现。在现有的状况下，集成多种能量收集机制、拓宽能量采集的源头、实现多道能量采集的集成极有可能成为一种快速、有效解决问题的方法。伴随着电子产品的小型化、人性化、实用和工作稳定成为一种根深蒂固的要求，通过合理设计发展多道能量收集技术必将会是未来微能量收集的重要发展方向之一。在相关方向的发展极有可能带来微能量收集领域的新的增长点。

目前，虽然国内外从事微能量收集的单位非常多，但是大多数研究单位只在单一能量的收集方面进行过较多的研究。随着研究的逐步推进和新的需求的提出，现在有部分有远见的研究单位或者公司已经将注意力投向多种能量的同时收集上来。进行多种能量同时收集的研究正在成为国内外相关方面研究的热点之一。比如：意大利的D.Carli等人开发了一种同时收集多种环境能源的系统；其中每种能量独立收集后通过电源管理存储在电池中。美国加州大学的C.Park等人研究了集成风能、太阳能、热能和振动能的无线传感节点中的能量收集管理，以期得到最大量的能量收集。

分析目前多道能量收集领域的相关研究可以发现，现阶段比较多的研究侧重于将多种能量收集进行简单的组合，并引入电源管理和检测模块，同时协调几种能量的收集方式，也即每种能量收集方式占用一个单独的模块，分别从各自的输入口接入能量管理系统。而基于系统集成的思想将多种能量收集方式进行单片整合的研究还鲜有报道。基于系统集成的思想，将两种以上的能量收集集成到同一个能量收集单元有利于精简系统结构，提高器件的可使用性，克服冗余，提高单位面积的能量利用率等等。这些优点针对于提高日常消费品的使用效率，扩大其使用环境具有显著的意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种集成式多道能量收集微机械结构，基于系统集成的思想，通过微机械制造手段将多种能量收集方式进行单片集成，主要针对日常环境中普遍存在的电磁波能量和机械振动能量进行收集。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：